CN116879818A - 脉冲磁粒子成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲磁粒子成像系统包括磁场产生系统，所述磁场产生系统包括至少一个磁体，所述磁场产生系统在所述磁粒子成像系统的观察区域内提供空间结构化磁场，使得所述空间结构化磁场将具有用于其中具有磁纳米粒子示踪剂分布的被观察对象的无场区域(FFR)。所述脉冲磁粒子成像系统还包括布置在所述观察区域附近的脉冲激励系统，所述脉冲激励系统包括电磁体和电连接到所述电磁体以向所述电磁体提供激励波形的脉冲序列发生器，其中所述电磁体在被提供所述激励波形时在所述观察区域内产生激励磁场，以通过移位所述FFR的位置或条件中的至少一者来从中感应出激励信号。所述脉冲磁粒子成像系统还包括布置在所述观察区域附近的检测系统，所述检测系统被配置成检测所述激励信号以提供检测信号。所述激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分。

Description

脉冲磁粒子成像系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月16日提交的美国临时申请号62/546,395的优先权，所述申请的全部内容通过引用并入本文。

本发明是在政府支持下在授权号EB019458和MH106053下进行并由美国国立卫生研究院授予。政府享有本发明的某些权利。

背景技术

技术领域

本发明当前要求保护的实施方案的领域涉及磁粒子成像(MPI)装置和方法。MPI是构建磁纳米粒子示踪剂在感兴趣的区域中的图像的成像模态。

发明内容

根据本发明的实施方案的脉冲磁粒子成像系统包括磁场产生系统，所述磁场产生系统包括至少一个磁体，所述磁场产生系统在磁粒子成像系统的观察区域内提供空间结构化磁场，使得空间结构化磁场将具有用于其中具有磁纳米粒子示踪剂分布的被观察对象的无场区域(FFR)。脉冲磁粒子成像系统还包括布置在观察区域附近的脉冲激励系统，所述脉冲激励系统包括电磁体和电连接到电磁体以向电磁体提供激励波形的脉冲序列发生器，其中电磁体在被提供激励波形时在观察区域内产生激励磁场，以通过移位FFR的位置或条件中的至少一者来从中感应出激励信号。脉冲磁粒子成像系统还包括布置在观察区域附近的检测系统，所述检测系统被配置成检测激励信号以提供检测信号。激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分。

根据本发明的实施方案的使用磁纳米粒子示踪剂对对象成像的方法包括：向对象提供磁纳米粒子示踪剂；施加具有FFR的空间结构化磁场，使得FFR和空间结构化磁场的周围区域在包含磁纳米粒子示踪剂的至少一部分的区域处与被观察对象相交；通过改变FFR的性质或FFR的位置中的至少一者来激励磁纳米粒子示踪剂的一部分；在FFR的性质和FFR的位置基本上恒定时检测由激励引起的磁纳米粒子示踪剂的磁化的变化以获得检测信号；在对象内针对FFR的多个不同位置重复所述激励和检测以获得多个检测信号；以及处理多个检测信号以渲染对象的区域的图像。

根据本发明的实施方案的与脉冲磁粒子成像系统一起使用或用作脉冲磁粒子成像系统的一部分的装置包括布置在样本观察区域附近的脉冲激励系统，所述脉冲激励系统包括电磁体和电连接到电磁体以向电磁体提供激励波形的脉冲序列发生器，其中所述电磁体在样本观察区域内提供磁场以在样本被样本保持器保持在样本观察区域内时从样本产生激励信号。所述装置还包括布置在样本观察区域附近的检测系统，所述检测系统被配置成检测来自样本的激励信号以提供检测信号。激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分。

附图说明

通过考虑说明书、附图和示例，其他目的和优点将变得明显。

图1A是根据本发明的实施方案的脉冲磁粒子成像系统的示意图。

图1B是根据本发明的实施方案的用于脉冲MPI编码的基本部件的示意图。

图2示出了根据本发明的实施方案的具有梯度场的不同FFR结构的建立。

图3示出了根据本发明的一些实施方案的施加空间均匀场以将空间均匀场与梯度场叠加的驱动或激励线圈的布置的示例。

图4示出了根据本发明的一些实施方案的脉冲MPI波形的示例，所述脉冲MPI波形包括具有各种持续时间(t1)、振幅和极性的基本上恒定的分量。

图5示出了根据本发明的一些实施方案的脉冲MPI中的脉冲的瞬变部分的示例。这些瞬变部分可能在快速过渡的时间窗口t2内完全出现。虚线指示实施方案的变化，使得瞬变部分的特征在于t2阈值时间量内的任何轨迹。

图6示出了根据本发明的一些实施方案的在脉冲MPI编码中使用的瞬变脉冲的示例。这些瞬变部分可以包含在快速过渡的时间窗口内出现的部分、基本上恒定的部分或两者。

图7示出了根据本发明的一些实施方案的MPI磁示踪剂磁化曲线和导数，其是MPI中的理想PSF。

图8是根据本发明的一些实施方案的激励脉冲分量的框图。

图9示出了根据本发明的一些实施方案的脉冲波形分量的图。

图10是示出根据本发明的实施方案的特定状态的示踪剂的选择性无效的特定脉冲波形图。

图11示出了根据本发明的实施方案的实验方波时域数据以及与稳态M-H曲线的关系。

图12示出了根据本发明的实施方案的在存在梯度场的情况下的时间弛豫编码。

图13示出了根据本发明的实施方案的AWR实验数据，其示出了不同的时域弛豫动力学，以及根据总施加场变化的测得的脉冲响应。

图14示出了根据本发明的实施方案的利用驱动呈正交布置的激励线圈的一系列脉冲进行的FFR平移的示例。

图15示出了根据本发明的实施方案的沿FFL方向的激励的x空间结果。这创建了低场线(LFL)，其中保持FFL的形状和空间结构，但其中对称线不通过0场(其以一定的场幅度偏置)。可以执行沿着线的脉冲激励、使用正交激励对线进行偏置或两者。

图16示出了根据本发明的实施方案的在成像扫描之前使用快速无梯度扫描的参数优化。

图17示出了根据本发明的实施方案的x空间脉冲MPI脉冲序列和FFL轨迹图的示例，在轨迹图中利用FFL获得多个2D投影数据集。投影角度不同的多个2D投影数据集包含重构3D断层摄影图像所需的信息。

图18示出了根据本发明的实施方案的与来自移位波形的平均FFR位置相关联的重复激励脉冲序列。

图19示出了根据本发明的实施方案的方波脉冲序列，其对椭圆形示踪剂分布和FFR在空间中的平均位置的轨迹进行采样。

图20示出了根据本发明的实施方案的稳态恢复序列和AWR数据。

图21示出了根据本发明的实施方案的FFR和轨迹在空间中的位置的基于正交的转圈。

图22示出了根据本发明的一些实施方案的梯度波形的示例。

图23是根据本发明的实施方案的数字信号处理和重构框图。

图24是根据本发明的脉冲MPI中图像形成的一般实施方案的示意图。

图25示出了根据本发明的实施方案的脉冲MPI中的一般x空间网格化。

图26提供了传统MPI、方波脉冲MPI和弛豫加权脉冲MPI之间的实验分辨率比较。

图27示出了实验PSF比较数据和外推的2D模拟。

图28是示出利用脉冲激励实验数据直接积分网格化到平均FFR位置的图。

图29是描述根据本发明的实施方案的局部pFOV投影重构的图。

图30是描述根据本发明的实施方案的完整FOV投影重构的图。

图31是示出根据本发明的实施方案的利用实验数据进行的弛豫加权重构的图。

图32示出了使用滤波以通过在脉冲MPI情境中使用减小的接收带宽来提高分辨率的实验数据，包括根据接收带宽变化的实验峰值信号和FWHM。

图33示出了根据本发明的实施方案的弛豫加权分解的示例。

图34示出了根据本发明的实施方案的在脉冲MPI中的弛豫信息的编码和相关联的重构方法的示意性组织。

图35是示出根据本发明的实施方案的通过以脉冲激励将实验弛豫图像数据网格化到平均FFR位置来进行弛豫图像重构的图。

图36示出了根据本发明的实施方案的示踪剂磁弛豫的稳态恢复量化。

图37示出了根据本发明的实施方案的针对不同粒子、激励振幅等的方波重构。

图38示出了根据本发明的实施方案的针对不同磁芯大小的粒子的弛豫图重构。

图39示出了根据本发明的实施方案的具有不同窗口选择的弛豫加权PSF。

图40示出了根据本发明的实施方案的使用脉冲MPI进行的实验粘度测定法，其使用表现出布朗物理性质的MPI示踪剂将测得的弛豫时间常数与流体粘度相关。

图41提供了根据本发明的实施方案的实验数据，其示出了MPI粒子对含配体的混合物的引入的敏感性。当添加了配体混合物并且针对此示踪剂具有受体(左)时，具有显著的布朗物理性质的示踪剂表现出了明显的变化。即使没有受体，在添加配体混合物后由于粘度和微环境的其他状态的变化，布朗示踪剂也表现出了不同的弛豫行为。没有明显的布朗性质并且尼尔占主导地位的示踪剂表现出对变化的微环境和结合事件不具敏感性。

图42是本发明的一些实施方案的一般电子器件框图。

图43是根据本发明的实施方案的脉冲MPI扫描仪系统的示意图。

图44示出了根据本发明的实施方案的利用磁体和无源通导板产生FFR的一些示例。

图45示出了根据本发明的实施方案的用于使用线性功率放大器进行脉冲激励的发射系统。

图46示出了根据本发明的实施方案的用于脉冲MPI激励的开关发射电路实施方案。

图47是根据本发明的实施方案的AWR装置的图示。

图48是在切割线48处截取的图47的AWR装置的横截面图。

图49示出了根据本发明的实施方案的接收器链。

图50提供了根据本发明的实施方案的示出VGA预加重的使用的数据。

图51是根据本发明的实施方案的模块化/可交换的脉冲MPI硬件的示意图。

图52是根据本发明的实施方案的用于脉冲MPI波形的序列发生器和启用硬件的模型的示意图。

图53示出了根据本发明的实施方案的发射开关电路的示例。

图54示出了实验数据，其展示2D脉冲成像、将2D脉冲磁粒子成像(pMPI)的结果与类似的正弦激励2D成像和理论进行比较以及展示使用pMPI可以提高分辨率。

图55是根据本发明的实施方案的利用无场线扫描仪的MPI采集中的脉冲编码的示意图。

图56是与传统正弦波方法相比，脉冲编码如何捕获弛豫动力学的图示，其示出了当正弦波激励无法捕获稳态磁化信息时，脉冲MPI可以如何捕获稳态磁化信息。

图57示出了实验数据，其示出了基本上恒定的保持时间和脉冲MPI性能之间的关系。

图58示出了实验数据，其示出了在脉冲MPI激励中在基本上恒定的保持时间之间使用的激励的动态/瞬变区域的变化上升时间的影响。例如，这表明在脉冲激励中使用明显的梯形波形相对于接近理想方波的波形的效果。

图59示出了根据本发明的实施方案的示例性实验数据，所述示例性实验数据使用稳态恢复脉冲序列来产生1D弛豫图像并检测示踪剂的动态弛豫行为随pH的变化。

具体实施方式

下面详细讨论了本发明的一些实施方案。在描述实施方案时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的广泛概念的情况下，可以采用其他等效部件和开发其他方法。本说明书中任何地方引用的所有参考文献，包括背景技术和具体实施方式部分，均通过引用并入，就好像每个参考文献都已单独并入一样。

本发明的一些实施方案涉及新的和/或改进的MPI系统和方法。例如，一些实施方案使用替代范例用于空间均匀的激励或驱动场，其中在MPI扫描过程期间使用包含基本上平坦或恒定的分量的脉冲波形。

图1A是根据本发明的实施方案的脉冲磁粒子成像(pMPI)系统100的示意图。pMPI系统100包括磁场产生系统102，所述磁场产生系统102包括至少一对磁体104。在一些实施方案中，磁场产生系统102可以具有第二对磁体105，或者在一些实施方案中甚至具有磁体阵列或者具有多于两对磁体。磁体104、105等可以是永磁体、电磁体或两者的组合。磁体104、105等的布置的一些示例将在下面更详细地描述。磁场产生系统102在磁粒子成像系统100的观察区域106内提供空间结构化磁场，使得空间结构化磁场将为被观察对象限定无场区域(FFR)。所述被观察对象将在其中具有磁纳米粒子示踪剂分布。

术语无场区域(FFR)旨在指代当示踪剂的分布包含在感兴趣的对象中时结构化的磁场中的低于与磁纳米粒子示踪剂相关联的饱和场强度的部分。注意，FFR并不意味着整个区域的磁场为零。例如，FFR可以是围绕点的局部区域、围绕直线的局部区域或围绕平面的局部区域。

pMPI系统100还包括布置在观察区域106附近的脉冲激励系统108。脉冲激励系统108包括电磁体110和电连接到电磁体110以向电磁体110提供激励波形的脉冲序列发生器132。然而，应当注意，脉冲激励系统108不限于仅一个电磁体110。可以有一个、两个、三个、四个或更多个电磁体，而不限于特定数量的电磁体。电磁体110在观察区域106内产生激励磁场，以通过移位FFR的位置或条件中的至少一者来从被观察对象感应出激励信号。短语“FFR的条件”例如可以是偏置场的大小、特定形状、添加和/或FFR内的磁场分布。脉冲激励系统108以及由其产生的波形的各种实施方案将在下面关于一些特定示例进行更详细描述。但是，本发明的一般概念不仅限于那些特定的实施方案。

pMPI系统100还包括布置在观察区域106附近的检测系统112。检测系统112被配置成检测来自被观察对象的激励信号以提供检测信号114。在一些实施方案中，检测系统112可以包括一个或多个接收器线圈，诸如接收器线圈116。在一些实施方案中，可以存在一个接收器线圈，或两个接收器线圈，或三个接收器线圈等，而不限于特定数量的接收器线圈。缩写Tx和Rx分别表示发射器和接收器。下面将更详细地描述检测系统112的一些实施方案。但是，本发明的一般概念不仅限于所描述的特定示例。由脉冲激励系统108产生的激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分。所述波形可以包括一个脉冲或多个脉冲。所述波形还可以包括不是脉冲的一个或多个部分。术语“脉冲”是指所述信号的包括至少一个瞬变部分的部分，所述部分可与所述信号的基本上恒定的相邻部分区分开。基本上恒定意指相对于瞬变部分的时间变化慢的时间变化。例如，在一些实施方案中，瞬变部分随时间的变化可以是基本上恒定的部分的变化的两倍之快、三倍之快、十倍之快、多个数量级之快或介于两者之间的任意，而不限于本发明的一般概念。例如，脉冲可以是简单形式，诸如但不限于尖峰。然而，脉冲可以具有更复杂的结构以包括多个瞬变部分和多个基本上恒定的部分。与信号的相邻的基本上恒定的部分相比，脉冲的持续时间(即时间)可能短。相邻的基本上恒定的部分不需要相等。短可以是至少两倍之短、十倍之短、多个数量级之短等等，而不限于本发明的一般概念。

在一些实施方案中，pMPI系统100还包括电磁屏蔽体118，所述电磁屏蔽体118布置成将观察区域106完全包封在其中，以将观察区域106与至少磁场产生系统102和脉冲磁粒子成像系统100周围的环境电磁隔离。电磁屏蔽体118可以是金属屏蔽体，诸如但不限于由铜板和/或铜合金形成的屏蔽体。该屏蔽体的厚度可以由预期或期望的Tx和Rx带宽规定。例如，可以选择厚度，使得趋肤深度阻挡所有Rx带宽干扰信号，但在不产生明显衰减的情况下使某些信号通过，诸如慢移磁场。例如，屏蔽体可以基本上是大约2至5mm厚的纯铜。然而，电磁屏蔽体118不限于这些示例，并且可以由各种形式、厚度等的其他金属构造而成。我们注意到，完全包封的屏蔽系统的使用对于双向EMI屏蔽是重要的。敏感的Rx信号可以被屏蔽以免受外部或环境干扰和噪声源以及源于系统100的其他部分(包括磁体系统104、105、130、136等和产生和/或移位FFR的无源磁场聚焦系统120)的干扰和噪声源的影响。另外，且重要的是，这些磁体系统104、105、130、136和无源磁场聚焦系统120自身被屏蔽以免受Tx线圈110产生的强场的影响，从而防止了磁饱和和其他不利的相互作用。

在一些实施方案中，如下面将更详细描述的，至少脉冲激励系统108的发射部分(例如，Tx线圈110)和检测系统112的接收部分(例如，Rx线圈116)被包封在电磁屏蔽体118内。

在一些实施方案中，磁场产生系统102还可以包括无源磁场聚焦元件120，诸如软磁材料，所述无源磁场聚焦元件120被配置成某个形状并且相对于至少一个磁体104布置以便将磁场线聚焦即集中或以其他方式引导到其期望路径。图1A示意性地表示这些结构。下面更详细地示出其他示例。

在一些实施方案中，检测系统112可以被配置成基本上仅在激励波形的基本上恒定的部分期间检测激励信号，以避免在激励波形的瞬变部分期间的馈通干扰以提供检测信号。例如，可以提供电子电路以提供这种功能。检测系统112可以是或可以包括硬接线部件和/或可以包括可编程结构。无论哪种方式，这些都应解释为结构部件，因为可编程结构可以用硬接线部件代替，例如，诸如但不限于ASIC和/或FPGA。在一些实施方案中，检测系统112可以被配置成在激励波形的瞬变部分期间，或者在激励波形的瞬变部分和基本上恒定的部分两者期间，检测激励信号。

在一些实施方案中，激励波形的基本上恒定的部分为至少500纳秒且小于500毫秒。在一些实施方案中，激励波形的基本上恒定的部分恒定在激励波形的目标振幅的约10％以内。在一些实施方案中，激励波形的瞬变部分的持续时间为至少100纳秒且小于100微秒。在一些实施方案中，激励波形包括磁化准备部分和读出部分，使得磁化准备部分包括瞬变部分的至少一部分，而读出部分包括恒定部分的至少一部分。在一些实施方案中，磁化准备部分基于在读出部分之前示踪剂的磁弛豫性质，动态地配置在FFR附近的示踪剂磁化状态。在一些实施方案中，磁化准备选择地使来自在读出部分期间与指定的弛豫状态或物理位置相关联的示踪剂的信号无效。在一些实施方案中，磁化准备以提高重构图像中的空间分辨率的方式对示踪剂磁化进行编码。在一些实施方案中，基本上恒定的部分长于FFR中的磁纳米粒子示踪剂的弛豫时间。在一些实施方案中，读出部分长于FFR中的磁纳米粒子示踪剂的弛豫时间。在一些实施方案中，基本上恒定的部分足够长以在所述FFR中的磁纳米粒子示踪剂中建立稳态磁化。在一些实施方案中，读出部分足够长以在所述FFR中的磁纳米粒子示踪剂中建立稳态磁化。图57示出了数据，所述数据展示可以如何通过观察例如分辨率与读出部分或基本上恒定的部分长度之间的实验关系或者峰值信号强度与读出部分或基本上恒定的部分长度之间的实验关系来测量稳态磁化的实现。例如，从太短而无法实现稳态的读出部分或基本上恒定的部分开始，随着所述读出部分或基本上恒定的部分长度的增加，当读出部分长度或基本上恒定的部分长度足以建立示踪剂的稳态磁化时，实验分辨率或峰值信号强度值最终将达到平稳状态。以这种方式，可以获得期望的读出部分长度或基本上恒定的部分长度而无需对示踪剂的磁性行为的任何了解。在一些实施方案中，读出部分比FFR中的磁纳米粒子示踪剂的弛豫时间短。在一些实施方案中，在激励波形的基本上恒定的部分结束时在示踪剂分布中获得稳态磁化分布。在一些实施方案中，激励波形的该基本上恒定的部分是终端读出周期。在一些实施方案中，在较长的扫描过程中施加的较大的激励波形中，将包括一个或多个瞬变脉冲的集合的磁化准备周期随后是终端读出周期重复许多次。在一些实施方案中，这些重复的分量中的每一个与FFR的不同平均位置相关联。

在一些实施方案中，激励波形包括多个脉冲，多个脉冲中的每个脉冲包括至少一个瞬变部分。在一些实施方案中，激励波形还包括多个恒定部分，使得激励波形包括多个磁化准备部分和多个读出部分，使得多个磁化准备部分中的每个磁化准备部分包括多个脉冲中的至少一个的至少一个瞬变部分，并且使得多个读出部分中的每个读出部分包括多个恒定部分中的至少一个恒定部分的至少一部分。在一些实施方案中，激励波形是方波。在一些实施方案中，激励波形是梯形的。

在一些实施方案中，FFR是限定纵向或“长”方向的无场“线”，并且激励波形至少部分地沿无场线的纵向方向施加以便通过在磁场空间中移位对应的无场线结构但保持无场线结构的形状和位置来改变无场线的条件。在一些实施方案中，FFR是限定纵向方向的无场线，并且激励波形至少部分地施加在与无场线的纵向方向正交的平面中以便改变无场线的位置。在此，短语“无场线”在数学意义上不需要零宽度的完全一维FFR。“无场线”的宽度小于该线的长度。例如，宽度可以比线的长度小至少2倍、或10倍、或100倍、或1000倍，但不限于这些特定示例。

在一些实施方案中，脉冲序列发生器被配置成提供多个脉冲，使得每个脉冲具有预选的形状、幅度、宽度或脉冲间周期中的至少一者，以提供特定的脉冲序列编码。在一些实施方案中，脉冲序列发生器被配置成提供包括以脉冲间部分分开的多个脉冲的激励波形，并且多个脉冲中的每个脉冲包括瞬变部分。

在一些实施方案中，脉冲序列发生器被配置成提供包括以恒定的脉冲间部分分开的多个脉冲的激励波形，并且多个脉冲中的每个脉冲在瞬变部分之间具有恒定部分。在一些实施方案中，激励波形可以近似具有有限的过渡转换速率的有限持续时间方波。在一些实施方案中，激励波形是梯形的。在一些实施方案中，对于脉冲波形的至少一部分，多个脉冲中的连续脉冲之间的每个恒定部分大于前面的恒定部分。然而，本发明的一般概念不限于这些特定示例。

在一些实施方案中，脉冲激励系统包括由非谐振滤波器链中的线性放大器供电的LR电路。在一些实施方案中，LR电路的电感在1微亨和50微亨之间。在一些实施方案中，LR电路的电感在1微亨和30微亨之间。

在一些实施方案中，脉冲激励系统包括谐振开关电路。在一些实施方案中，检测系统包括增益控制电路，以相对于检测信号的具有更大馈通污染的部分来放大检测信号的具有更小馈通污染的部分。

在一些实施方案中，pMPI系统100还包括信号处理器122，所述信号处理器122被配置成与检测系统112通信以从其接收检测信号114。信号处理器122还被配置成产生成像信号以用于渲染与被观察对象的被FFR遍历的区域相对应的图像。信号处理器122可以是例如一般意义上的计算机，其可以是但不限于台式计算机、膝上型计算机、平板装置、智能电话、微控制器或其他片上系统装置、或这类装置或这类装置的部分的任何联网组合。信号处理器可以是可编程处理器和/或硬接线处理器，诸如但不限于ASIC和/或FPGA。不管信号处理器122是否可编程，都应将其解释为pMPI系统100的结构部件。

在一些实施方案中，pMPI系统100还包括被配置成布置在pMPI系统100的观察区域106内的对象保持器124。在一些实施方案中，pMPI系统100还包括机械总成126，所述机械总成126可操作地连接到对象保持器124或磁场产生系统102中的至少一者，以进行平移或旋转FFR的相对位置中的至少一个。

在一些实施方案中，pMPI系统100还包括慢移电磁系统128，慢移电磁系统128包括设置在pMPI系统100的观察区域106附近的慢移电磁体130和慢移波形发生器132。慢移波形发生器132将波形提供给慢移电磁体130，以在与激励脉冲的时间尺度相比慢的时间尺度上移位FFR的位置。在一些实施方案中，慢移电磁系统128可以包括多个慢移电磁体，例如，诸如但不限于慢移电磁体130、134、136、138。在替代实施方案中，pMPI系统100还包括慢移波形发生器132，慢移波形发生器132被配置成与磁场产生系统102通信以使用与磁场产生系统102相同的线圈，诸如但不限于线圈104和/或105。在一些实施方案中，慢移线性马达被配置成在与激励脉冲的时间尺度相比慢的时间尺度上在至少一个维度上移动被成像的对象。在一些实施方案中，pMPI系统100还配置有无场线以及旋转机架和马达，以提供无场线和包含被研究样本124的成像孔106之间的相对旋转。在一些实施方案中，以下各者中的一者或多者安装到旋转机架上：主磁体和软磁通导板(120)、慢移磁体(130、134、136、138)、Tx和Rx线圈(110、116)、Tx/Rx电路(108、112)和电磁屏蔽体(118)。

在一些实施方案中，磁场产生系统102是动态可配置的。除了预先由用户预先编程到序列发生器132中的动态行为之外，反馈回路还可以通知在线算法或控制器逻辑以提供对激励波形的实时修改以更完全地符合期望的理想轨迹。例如，场和/或电流嗅探器元件可以向控制器报告已实现的波形，以对功率放大器的输入进行适当的负反馈控制的修改(例如，参见图1A、图42和图43)。在一些实施方案中，磁场产生系统102是动态可配置的，以便动态地改变FFR以动态地改变检测信号中编码的信噪比和分辨率。在一些实施方案中，可以使用户能够基于侦察扫描或实时成像反馈进行干预以动态地权衡SNR和分辨率。例如，到序列发生器132的接口可以被配置成基于用户反馈而动态地针对激励振幅或梯度强度缩放信号。在一些实施方案中，可以在稀疏示踪剂信号的区域中分别动态地减弱或减小梯度强度或脉冲激励振幅，以以牺牲分辨率为代价来提高SNR。在一些实施方案中，可以在示踪剂密集的区域中增加梯度强度或脉冲激励振幅，以以牺牲SNR和可能成像速度为代价来提高分辨率。在一些实施方案中，可以根据某一优化逻辑或算法同时修改梯度强度和脉冲激励振幅两者。在一些实施方案中，这些动态权衡可以由序列发生系统132内部的算法或逻辑自动执行。在一些实施方案中，可以基于实时反馈来修改磁化准备序列，以在给定闭环反馈信息下更准确地实现预期的磁化准备。在一些实施方案中，序列发生器和反馈元件将被配置成基于被成像对象中示踪剂的测得的、拟合的或量化的磁弛豫性质来动态地修改脉冲序列的磁化准备或其他元件。在一些实施方案中，这些修改将考虑改变在图像中的不同位置处遇到的示踪剂的磁弛豫性质。

在一些实施方案中，pMPI系统100还包括信号处理和图像渲染系统122，所述信号处理和图像渲染系统122被配置成与检测系统112通信以接收检测信号114。信号处理和图像渲染系统122可以被配置成处理检测信号114，并且渲染与被观察对象的包含磁纳米粒子示踪剂并且由FFR寻址的部分相对应的图像。

在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号114并以至少1.5mm的空间分辨率渲染图像。在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号114并且以至少1000μm至100μm的空间分辨率来渲染图像。在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号114并渲染图像以表示在对应的图像位置处示踪剂的密度、质量、浓度或其导数中的至少一者。在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号114并渲染图像以表示在对应的图像位置处示踪剂的局部弛豫时间。在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号并渲染图像以表示在对应图像位置处的局部粘度、pH、磁纳米粒子结合事件、局部氧化状态、感兴趣的生化分析物浓度、或官能化磁纳米粒子相互作用中的至少一者。在一些实施方案中，信号处理和图像渲染系统122被配置成处理检测信号并渲染图像以表示与可能被官能化的磁纳米粒子示踪剂直接或间接相互作用的局部生化过程的运动学信息。

本发明的另一个实施方案涉及使用磁纳米粒子示踪剂来对对象成像的方法。所述方法包括向对象提供磁纳米粒子示踪剂；施加具有FFR的空间结构化磁场，使得FFR和空间结构化磁场的周围区域在包含磁纳米粒子示踪剂的至少一部分的区域与被观察对象相交；通过改变FFR的性质或FFR的位置中的至少一者来激励磁纳米粒子示踪剂的一部分；在FFR的性质和FFR的位置基本上恒定时检测由激励引起的磁纳米粒子示踪剂的磁化变化，以获得检测信号；在对象内针对FFR的多个不同位置重复激励和检测以获得多个检测信号；以及处理多个检测信号以渲染对象区域的图像。

在一些实施方案中，检测是在激励磁纳米粒子示踪剂的部分之后发生。在一些实施方案中，检测是在激励磁纳米粒子示踪剂的部分期间发生。在一些实施方案中，检测是在激励磁纳米粒子示踪剂的部分期间和之后两者发生。

在一些实施方案中，所述方法还包括将磁纳米粒子示踪剂施予给被观察对象，其中所施予的磁纳米粒子示踪剂包括集合平均直径为至少10nm且小于100nm的磁纳米粒子。在一些实施方案中，磁纳米粒子示踪剂的磁纳米粒子为至少25nm且小于50nm。在一些实施方案中，磁纳米粒子示踪剂的磁纳米粒子是一律至在5nm的方差内。

在一些实施方案中，FFR的性质和FFR的位置在检测期间在至少500纳秒且小于500毫秒内基本上恒定。在一些实施方案中，在退出期间，FFR的性质和FFR的位置基本上恒定在FFR和FFR的位置的变化量的约10％以内。在一些实施方案中，改变FFR的性质或FFR的位置的持续时间为至少100纳秒且小于10微秒。

在一些实施方案中，处理多个检测信号以渲染对象的区域的图像渲染磁粒子密度图像或磁弛豫动态参数图像中的至少一者。在一些实施方案中，处理多个检测信号以渲染对象的区域的图像渲染局部粘度。在一些实施方案中，处理多个检测信号以渲染对象的区域的图像渲染示踪剂的局部结合状态。

本发明的另一个实施方案涉及一种与脉冲磁粒子成像系统一起使用或用作脉冲磁粒子成像系统的一部分的装置。该实施方案可以由与图1A中的对应部件相似或相同的部件构成。因此，此处使用与图1A相同的参考数字。在该实施方案中，所述装置包括布置在样本观察区域106附近的脉冲激励系统108。脉冲激励系统108包括电磁体110和电连接到电磁体110以向电磁体110提供激励波形的脉冲序列发生器。电磁体110在样本观察区域106内提供磁场以在样本被样本保持器124保持在样本观察区域106中时，从样本产生激励信号。所述装置还包括布置在样本观察区域106附近的检测系统112。检测系统112被配置成检测来自样本的激励信号以提供检测信号114。激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分。脉冲激励系统108和检测系统112可以是适于将非脉冲MPI系统转换成脉冲MPI系统的模块化结构的一部分。

所述装置还可以包括信号处理器122，信号处理器122被配置成与检测系统112通信以接收并处理检测信号114。信号处理器122可以进一步被配置成处理检测信号以确定样本内的磁粒子的磁化弛豫时间。根据该实施方案的装置还可以包括限定样本观察区域的样本保持器。

下面更详细地描述本发明的一些特定实施方案；然而，本发明的一般概念不限于这些特定示例。

脉冲编码技术

当使用正弦连续波形时，脉冲波形可以用于以一般无法实现的方式对MPI信号进行编码。例如，可以在时间上将发射馈通干扰与示踪剂信号分开。脉冲波形还可以允许测量纳米粒子示踪剂分布的稳态磁物理性质，由于与示踪剂相关联的有限磁响应时间，有可能绕过在连续正弦MPI中看到的模糊效应。同时，脉冲波形可以提供允许量化这些磁响应时间的方法和编码方案，从而提高图像对比度，并有可能测量另外的信息。例如，除了示踪剂密度图像之外，还可以产生量化示踪剂弛豫物理性质的量度并以空间分辨方式报告的弛豫图像。在其他实施方案中，可以提供全四维成像数据集。该数据可以从相同的激励脉冲序列中同时获得，或可以通过依序施加不同的激励脉冲序列来获得。

脉冲波形序列还可以经由磁弛豫动力学导致第二种形式的空间信息编码，这不同于MPI中通常使用的朗之万饱和度。更一般地，可以使用这种新的编码来在编码周期之前或期间对示踪剂磁化进行整形，从而以有用的方式影响分辨率、SNR和图像对比度。例如，在当前MPI方法中，磁弛豫通常用于降低分辨率和图像质量，而在脉冲MPI技术中，我们可以利用磁弛豫来提高分辨率。

对脉冲编码的要求

如图1B所示，对MPI中脉冲编码的基本要求包括空间变化的磁场图案或结构(其被称为无场区域(FFR))、时间可控且空间均匀的激励磁场源以及一个或多个磁场脉冲，每个磁场脉冲包含由激励磁场源产生的一个或多个基本上恒定的磁场波形。在一些实施方案中，对于校准或在不需要产生空间局部图像的感测应用中，可以省略FFR。在一些实施方案中，在采用或不采用FFR的情况下，除了脉冲激励场之外，还可以施加一个或多个空间均匀的偏置场，以采集数据(诸如弛豫数据)的附加维度。

磁饱和

MPI对可能磁饱和的磁示踪剂成像。施加的磁场与纳米粒子磁化之间的关系可以通过磁化曲线(称为M-H曲线)来描述，所述曲线给出了纳米粒子集合对所施加的磁场的磁化响应(参见图7)。在小的施加磁场下，磁纳米粒子会迅速改变其磁化。在大的施加场下，M-H曲线在磁化上渐近趋于平稳或恒定值。然后，在大的总施加场幅度下，这些示踪剂不会响应于施加的磁场的进一步增加而显著改变其磁化，且因此，所述粒子被称为“饱和”。在超顺磁性氧化铁(SPIO)示踪剂的情况下，SPIO响应于所施加的磁场作出的磁化响应被理解为遵循朗之万曲线。

具有梯度场的FFR的建立

典型的MPI扫描系统包含一个或多个有源或无源磁场源，所述一个或多个有源或无源磁场源用于产生特定的空间场图案，在此被称为FFR。FFR被定义为所施加的磁场低于磁饱和值的空间区域。这可以与附近的空间区域形成对比，在所述附近的空间区域中，所施加的场高于磁饱和值。FFR通常但不一定包含线性磁场梯度，因此磁场在FFR和附近的饱和磁场区域之间平滑过渡。FFR可以是无场点、无场线，或者可以如图2所示具有更一般的形状并受麦克斯韦方程组施加的限制的影响。

均匀快速的激励场

在典型的MPI系统中，通过施加空间均匀但随时间变化的磁场使其与创建FFR的梯度场叠加来生成示踪剂信号。以这种方式施加的均匀场将通常用于在空间和时间上移位或平移FFR，同时保持FFR的形状。在一些实施方案中，诸如在均匀激励的情况下，施加场与FFL中的线同轴，均匀场的添加不会移位FFR的平均位置，而是例如会增加磁偏置以将FFR变换为低场区域(LFR)。

当使用产生均匀场的线圈时，在整个视野(FOV)上，均匀性要求可能大约＜10％或更好，其被定义为磁场偏离标称值的量，但是可以使用均匀性更差的线圈。在MPI中，区分均匀的激励场和均匀的移位场可能是有启发性的，即使两种类型的场在空间上是数学等效的。激励场具有高的转换速率，并提供FFR的快速平移，其可以刺激粒子感应出感应性接收器线圈接收到的电压信号，而移位场可以增强几个数量级和减慢几个数量级，并且用于仅在激励场无法到达的大FOV上缓慢平移FFR结构的平均位置。脉冲MPI编码在很大程度上与更快的激励场有关，但也像标准MPI情况一样，也仍使用移位场并使得能够对较大FOV进行编码。

图3示出了可以用于平移或改变FFR的条件的基本电磁线圈布置。可以布置多个激励源，诸如电磁线圈，以沿任意方向动态地激励。例如，如图3所描绘，线圈可以在空间中正交布置并以正交方式驱动。这些线圈也可以布置成沿没有明显梯度的FFR方向激励，诸如沿图3所描绘的FFL结构的线激励。在这种情况下，可能在没有明显的结构平移的情况下修改FFR结构的条件。如图3所描绘的激励线圈通常由被配置成在带宽上为时变磁场提供频谱能量的源驱动。例如，磁场可以包含＞10Hz、＞1kHz、＞10kHz或＞100kHz的带宽上的磁能。在传统的MPI方法中，这些激励源由一个或少量正弦变化分量组成，这些分量具有以载波频率(例如20kHz、45kHz或150kHz)为中心的低通道带宽(例如＜1kHz)。在脉冲MPI中，这些源可以产生带宽宽得多的波形，并且不需要以载波频率为中心。

基本上恒定的脉冲激励波形分量

尽管典型的MPI轨迹包括正弦变化且连续发射的激励场(例如，在45kHz下的正弦)，但是本发明的一些实施方案提供具有非正弦扫描轨迹的激励波形。这些波形在本文中被称为脉冲波形。这些脉冲激励波形的关键特征是包括一些周期性或非周期性的分量，其中在一段时间内，场的幅度保持基本上恒定。基本上恒定是指，在某个初始瞬变或斜升周期之后和/或在随后的瞬变或斜升周期之前，场的幅度与某个期望或理想的场幅度的偏差不超过定义的误差。误差的示例性幅度包括但不限于期望值的10％、期望值的5％和期望值的1％。场保持在该基本上恒定的值的时间段可以在500纳秒至500毫秒的范围内；然而，该范围不是限制性的。图4示出了具有变化的振幅、极性和由t1表示的持续时间的基本上恒定的波形分量。在总脉冲序列中，可以使用许多基本上恒定的波形分量，其振幅、极性和t1持续时间各不相同，如4所示。

时变脉冲激励波形分量

激励波形中的基本上恒定的值可以由各种形状基元的脉冲波形分量分开。通常，这些基元可以与精确的定时链接在一起，以创建更复杂的脉冲波形。这种脉冲波形基元的一种重要类型是通过上升沿和/或下降沿快速过渡的类型。在这些快速场过渡期间，时变场波形可以具有任何形状。例如，所述波形可以线性地、呈指数地、正弦地转换或是它们的叠加，如图5和图6所示。图5示出了由具有最大持续时间t2的分量表示的示例性激励波形，其示出了通过上升沿和/或下降沿的快速过渡。该持续时间t2可以在100纳秒至10微秒的范围内。图5还示出了可以用于建立较大的脉冲MPI波形或脉冲序列的其他示例性瞬变脉冲和类脉冲波形分量。

磁示踪剂

MPI中使用的磁示踪剂的特征为其稳态响应(通常描绘为M-H曲线(图7))以及其对所施加的磁场的时变响应两者。我们在理论上和实验上都发现，磁化曲线相对于所施加的场的导数与MPI中的理想、原生或稳态点扩展函数(PSF)成比例。如传统上所理解的，在没有使用诸如去卷积之类的工具的情况下，这种稳态纳米粒子响应限制了MPI中可能的分辨率。在实践中，由于示踪剂的动态磁弛豫行为，可能难以在规范化的正弦MPI中实现此分辨率。此外，如本文所述，脉冲MPI方法可以通过利用弛豫动力学，在不进行去卷积的情况下，允许超越该先前考虑的极限，并获得比稳态朗之万理论所预测的分辨率更好的分辨率。

磁纳米粒子对所施加的磁场的时变响应由磁弛豫管控。发生磁弛豫是因为磁纳米粒子无法即时对所施加的磁场作出响应。在传统的MPI正弦方法中，当与重新定向磁矩的粒子相关联的特征时间为大约激励正弦周期的一定比率时，磁弛豫可能导致明显的图像模糊。我们可以将此磁弛豫近似为应用于时域信号的低通滤波器，这继而表现为图像域模糊。结果是，点扩展函数的宽度与稳态朗之万M-H曲线所预测的相比增大。

理论上，较大粒子的粒子可以提高稳态分辨率，其取决于如何采集信号。众所周知，描述示踪剂磁化的朗之万方程随着磁芯直径三次方地提高。这意味着具有较大芯大小(诸如大于25nm)的示踪剂比具有较小芯大小(例如小于25nm)的示踪剂具有更陡的磁化曲线。然而，在传统正弦激励MPI中使用典型振幅和频率的情况下，较大示踪剂(例如，直径大于大约25nm)中的磁弛豫可能会导致明显的图像模糊，从而可能无法将较大的粒子用于高分辨率成像。本发明的一些实施方案提供了使用脉冲激励波形的方法和装置，所述脉冲激励波形允许以相对较长的磁响应时间对较大的粒子进行稳态磁化的采样而不损失分辨率。

脉冲序列的分量

诸如瞬变脉冲之类的波形基元和基本上恒定的周期可以组合以创建更复杂的脉冲波形和MPI激励脉冲序列。MPI脉冲序列的两个基本分量可以包括一个或多个不同的磁化准备基元和一个或多个不同的信号读出周期，如图8和图9概念性地示出。在一些实施方案中，一系列磁化准备脉冲的持续时间可以短于随后的更长的读出周期。在一些实施方案中，准备周期和读出周期的相对持续时间可以以连续序列变化。在一些实施方案中，基本上恒定的周期之间的过渡用作激励和/或准备。

基本上恒定的周期

在磁化准备期间和信号读出周期期间都可以使用一个或多个保持磁场基本上恒定的周期。在保持磁场基本上恒定的周期期间，示踪剂分布的磁化向新的磁化稳态发展。该稳态可以在空间上发生变化，这是因为例如存在FFR以及其创建的空间场图案和与场相关的示踪剂弛豫性质之间的相互作用，并且会根据管控示踪剂的磁弛豫物理性质而演化。通常，磁化的演化近似类阶跃响应，且因此感应接收的信号记录类脉冲的响应。图11示出了使用能够产生脉冲激励波形的台式弛豫仪系统获取的示例性数据，所述脉冲激励波形被施加到不存在梯度的样本上。这种装置在本文中被称为任意波形弛豫仪(AWR)。在图11中，类方波的激励脉冲序列在感应接收器线圈中产生衰减的脉冲响应信号。当样本分布的净磁化朝着与对应于方波的每个基本上恒定的值的总施加磁场状态相关联的稳态值演化时，这对应于磁化的增长和衰减。如果基本上恒定的周期具有足够长的持续时间，则根据与示踪剂相关联的稳态M-H或朗之万曲线，实现稳态并且示踪剂分布的稳态的两个不同值已经被采样。图57示出了使用具有可变的基本上恒定的保持时间(或方波半周期时间)的方波脉冲MPI的实验数据。相对于示踪剂磁弛豫过程而言，保持时间太短，不允许示踪剂磁化在下一个瞬变脉冲之前实现稳态。如图57所示，这会降低信号强度和分辨率两者。随着保持时间从不够长的保持时间开始增加，可以观察到渐近接近与稳态相关联的最大信号和最佳分辨率。

图56进一步示出了在存在具有非不重要磁弛豫的示踪剂的情况下，正弦编码和脉冲编码(此处考虑方波激励)之间的差异。在显著磁弛豫的情况下，示踪剂磁化使标准MPI中的激励场显著滞后，从而显著地使原始时域信号模糊。在脉冲MPI情况下，足够长的基本上恒定的周期允许实现稳态磁化。对于感应接收的原始MPI信号，原始时域信号在单个基本上恒定的分量的过程或方波半周期中的积分与在激励方波的第n个和第(n-1)个基本上恒定的部分结束时实现的稳态磁化值之间的差成比例。

通过梯度场进行的时间弛豫编码

如果在脉冲波形的基本上恒定的周期期间存在梯度场或FFR结构，则由于空间变化的弛豫时间，这导致与示踪剂分布有关的空间信息的第二次编码。图12示出了在存在诸如FFR之类的空间变化的磁场的情况下，如何在与任何基本上恒定的周期相关联的接收到的信号中在时间上对该空间信息进行编码。如果基本上恒定的周期被施加足够长的持续时间，例如比观察到的最长的磁弛豫现象长得多的持续时间，则整个示踪剂分布将从一种稳态分布演化为另一种稳态分布。但是，无论基本上恒定的值的确切持续时间如何，以及是否达到稳态，该周期期间的时域信号都会对空间信息进行编码。

如图12所示，在任何给定位置处的示踪剂将根据与该位置处的总施加磁场相关联的磁弛豫响应向稳态演化。通常，由于施加场幅度与磁响应时间之间的单调关系，并且跨磁弛豫的多个物理机制，结果是，在基本上恒定的周期开始时附近的时域信号的权重更多地指向位于远离固定的FFR等中心点处(较短的弛豫时间)的示踪剂，而在较晚的时间点或朝向基本上恒定的周期结束时的信号更多地受来自位于更靠近FFR等中心点处(更长的弛豫时间)的示踪剂的信号的支配。该时空编码的起源是在给定的施加场下，施加场与施加在示踪剂上的磁转矩之间的单调关系。远离FFR的示踪剂所经历的高场幅度会产生非常强的磁转矩，从而导致响应更快。该过程还将导致在傅立叶域中进行空间编码，其中与远离FFR等中心点的示踪剂相关联的信号比与在FFR等中心点附近的示踪剂相关联的信号包含更高的频率分量。傅立叶域中的这种可分离性可以允许有效地选择接收带宽，从而限制噪声并提高分辨率。该第二种空间编码现象与根据所有MPI进行的标准的基于饱和度的空间编码一起发生，在这种情况下，无论弛豫动力学如何，都会在脉冲激励期间并根据示踪剂的M-H或朗之万曲线，离FFR等中心点更远的示踪剂产生较小的信号(总磁化的变化较小，从而降低信号能量)。

可以在脉冲序列的磁化准备方面以及在图像重构期间两者利用该第二种时空编码现象。图13进一步示出了总施加场如何影响在基本上恒定的周期内与时域信号相关联(由于朗之万饱和效应)的总能量，以及在用AWR获得的实验数据中该信号的演化(由于与总场有关的磁化物理性质)的动力学两者。在AWR中，当施加脉冲激励时，平均总场可以随时间斜升或光栅化，从而允许查询示踪剂的信号和各种总施加场幅度下的动力学。

磁化准备周期

一个或多个脉冲分量可以在读出周期之前或可能与读出周期同时准备、设置示踪剂分布的磁化状态或以其他方式为其动态地整形。图9和图10示出了可以在这样的准备周期中使用的一些示例性脉冲和脉冲的有序集合。这些脉冲的持续时间可能足够短，以利用示踪剂分布中空间相关的磁弛豫动力学。例如，准备周期中的一系列脉冲的持续时间可以是足够短的，以防止在非饱和区域中的任何地方实现稳态磁化。但是，在该脉冲周期中磁化的变化或增长程度将在空间上取决于FFR结构的精确轨迹。通常，弛豫动力学在距离FFR等中心点较近处最慢，这是由于磁弛豫时间随着距FFR的距离单调递减(由于弛豫时间和总施加场强度之间存在单调关系)，而在距FFR等中心点较远处最快。以这种方式，可以通过在准备周期中对分布的事先操纵来对读出周期中的信号进行预加权。

图10大体上示出了示例性脉冲序列，所述示例性脉冲序列由脉冲的磁化准备序列后接基本上恒定的读出周期组成。示出了位于两个不同位置和/或具有两个不同的固有磁弛豫响应时间的示踪剂的演化。准备分量使在这两个点(位置或弛豫状态)上的示踪剂磁化形状不同，这是因为它们相对于FFR的几何形状不同、固有的磁弛豫有差异或两者。特定地，使用这种方法可能会衰减具有某些性质的示踪剂(具有其他性质的示踪剂除外)、使其无效或将其取消，从而导致MPI弛豫加权编码和反转恢复以及无效序列。为了说明的目的，示出了在仅两个位置和/或相同位置处但具有两个不同的弛豫响应曲线的磁化；通常，这些磁化准备脉冲将在空间坐标上以连续变化的方式影响饱和区域中的示踪剂。

磁化演化期间的读出

脉冲波形的一般特征是定义例如在磁化准备周期之后的不同的信号读出周期的可能性。在一些实施方案中，读出周期将包括基本上恒定的周期，其中观察到示踪剂分布的磁化向稳态位置移动的发展。在一些实施方案中，该读出可以紧跟快速过渡的上升沿和/或下降沿。在一些实施方案中，将有目的地设计基本上恒定的读出周期的时间持续时间，以确保在感兴趣的样本中实现示踪剂分布的磁稳态。在其他实施方案中，将有目的地将基本上恒定的读出周期设计为不实现稳态条件。在一些实施方案中，读出周期还可以包括非恒定分量。图9、图10、图11、图12和图13展示了脉冲MPI激励波形中的示例性读出周期。

MPI中的脉冲类型

脉冲波形可以用于驱动MPI中的均匀激励线圈。这些脉冲波形将影响FFR的状态和/或位置，并在存在磁示踪剂分布的情况下产生信号。

通过FFR的平移过行投影激励。

在一些实施方案中，脉冲波形将由均匀线圈施加，使得脉冲的作用是平移FFR结构的位置。在这些波形的基本上恒定的周期期间，FFR结构在FOV中是静止的。图14示出了正交均匀线圈中的脉冲如何用于在由两个激励线圈的主轴限定的平面中的任何地方平移FFR的位置。对于在所有三个维度上均等中心点定位的FFR结构(诸如FFP)，可以使用均匀线圈在任何方向上平移FFR结构。沿连接FFR等中心点的有序位置的曲线(例如图14中的线1、线2和线3)的任何示踪剂将被脉冲激励。轨迹可以具有比简单的线更一般的形状，并且管控示踪剂信号的磁弛豫通常将取决于该轨迹以及FFR的位置和示踪剂分布之间的瞬时相对几何形状。在简单的类方形脉冲的情况下，每个类阶跃的过渡在x空间中限定线，所述线连接FFR等中心点的初始位置和阶跃之后的位置。在脉冲持续时间内，位于激励线附近、接近初始FFR位置的示踪剂比位于激励线附近、接近最终FFR位置的示踪剂响应更快。

如果两个基本上恒定的分量括住任意动态轨迹，并且两个基本上恒定的周期的持续时间足以为FFR和与每个基本上恒定的分量相关联的示踪剂分布之间的相对几何形状建立稳态磁化条件(并且在中间时间周期中示踪剂分布没有发生变化)，则在不依赖于特定中间轨迹的情况下对初始磁化状态和最终磁化状态进行采样。瞬时时域接收信号(其测量磁化演化的时间导数)将取决于所选的特定轨迹，但该信号的积分可能不是。在这种情况下，在所括住的基本上恒定的分量的持续时间超过所有磁弛豫现象完成所需的时间的情况下，该信号可以被视为对沿着连接初始和最终FFR位置的线或其附近的空间中的完整局部投影进行编码。如果在括住的基本上恒定的周期中的一个或另一个处未建立稳态，则此结果将不适用：两个分量之间的磁化差异将由特定轨迹的各个方面加权。

在FFL方向上的激励

在一些实施方案中，可以在沿无场线(FFL)的线的方向上施加激励脉冲。如图15所示，修改了梯度场结构的条件，但是在沿线方向施加脉冲期间，在正交于线的平面中结构的位置不改变。FFL确实会从FFL过渡到低场线(LFL)，从LFL过渡到FFL，或者从在一个方向上极化的LFL过渡到在相反方向上极化的LFL，这取决于在施加激励脉冲之前不久场的值。LFL的特征可能在于相同或相似的空间变化结构，但其幅度存在偏差，使得没有一个或多个点跨越零场幅度。像FFL的情况一样，场的向量方向将从正交于LFL的平面的一侧旋转到另一侧。在这种激励方案下，沿着定义FFL或LFL的线的所有示踪剂将以相同的方式受到激励，并且在取决于总施加场的情况下将受到相同的弛豫物理性质的约束，并且这代表沿线进行完整FOV投影编码，但在正交平面中没有投影激励。沿着线的激励脉冲可以与正交于线的平面中的激励脉冲平行或串行地执行。

FFL的偏置

在一些实施方案中，在FFL的方向上的均匀偏置场通常可以按分开施加不同的激励脉冲进行施加，例如施加在正交平面中、沿着线施加或两者。这样的偏置场建立了LFL而取代了FFL。图15示出了具有偏置波形的LFL。当LFL在正交平面中移动时，添加偏置场可能会破坏示踪剂聚集体旋转的对称性，并且由于示踪剂在任何一点都不会被零场区域激励，因此通常可以感应出更快速的弛豫动力学以进行SNR效率更高的信号编码。

无FFR的脉冲激励

在一些实施方案中，均匀脉冲激励波形将被施加到样本而不存在梯度场或空间变化的FFR结构。在这种方案中，线性偏置场可以缓慢斜升，这将使整个样本通过施加场幅度空间中的轨迹，所述轨迹与使用线性梯度场时扫描系统中点源的经历成线性比例。这样的系统可以用于快速测试MPI脉冲序列的效果，并测量与聚集体中的示踪剂样本或样本对象相关联的一维(1D)PSF。注意，这种方法以相同的方式激励所有示踪剂，无论其位置如何。因此，1D PSF描述了观察体积中所有示踪剂的聚集或平均行为。如果可以关闭产生FFR的磁源，则可以使用小型台式弛豫仪系统(诸如任意波形弛豫仪(AWR))或使用完整的成像扫描仪来完成此类扫描。

由于采样仅在一个维度上(施加的磁场空间中)进行，所以这些空间均匀的扫描具有很高的通量，并且例如可以在不到一秒钟的时间内完成。可以轻松地测试和检查一系列测试不同脉冲序列参数或完全不同的脉冲序列的扫描。这样的扫描还可以在分辨率、总示踪剂质量和SNR以及磁弛豫动力学方面快速地提供有关样本中整个示踪剂分布的代表性信息。该信息可以用于指导扫描参数的选择，诸如在随后的且通常更长的成像扫描或一系列扫描期间的基本上恒定的场值的振幅和周期。此外，该信息在选择信号处理和重构参数(诸如接收带宽和接收滤波器截止)时也可能有用。这些值可以通过标准化的校准程序获得，或可以在使用快速无梯度扫描进行任何扫描之前即时获得。

图16示出了脉冲MPI扫描工作流程，其中在使用梯度场开始更长的成像扫描之前，使用一个或多个没有梯度场的快速扫描来优化脉冲序列参数。

脉冲序列

可以组合脉冲MPI中可用的编码机制，包括各种脉冲类型、概念性脉冲波形分量以及由脉冲波形驱动的线圈布置，以创建完整的脉冲MPI脉冲序列，以对成像FOV进行完全采样。在图17和图55中示出了示例性脉冲MPI脉冲序列图，其示出了与其他系统序列相关的示例性脉冲激励波形。在这些实施方案中，一个或多个脉冲序列用于使用FFL扫描系统对2D切片进行完全采样；对样本和FFL之间的具有旋转几何形状的多个切片进行采样，以使得能够使用投影重构技术形成断层摄影3D图像。除了相对较快的脉冲激励外，较慢的移位分量还允许对整个2D FOV进行采样，如图18中所描绘的示例性光栅扫描轨迹所示。在一些实施方案中，包含一个或多个磁化准备分量和一个或多个不同读出周期的激励脉冲波形可以被重复多次，其中每次重复与由更缓慢变化的移位波形限定的FFR结构的不同平均位置相关联。一般而言，与缓慢移位分量相关联的慢很多的转换速率不会违反对激励波形中的基本上恒定的场周期施加的基本上恒定的标准(例如，期望值的1％或10％等等)。在一些实施方案中，可以允许或期望这种违反。

本文描述了一些示例性脉冲序列，包括类方波脉冲序列、稳态恢复序列以及说明性的更复杂的SNR有效的序列。这些特定脉冲序列实施方案的讨论或所示的这些脉冲序列的示例性形式均不应被视为限制。

类方波激励脉冲序列

一种说明以脉冲波形对MPI信号进行编码的许多好处的脉冲MPI脉冲序列是使用类方波激励波形。这些波形包含磁场的基本上恒定的值的交替周期，这些周期由通过上升沿和下降沿的快速过渡分开。这些分量在图4、图5和图6中进行了描绘。术语类方波用于强调重复的激励脉冲分量的整体形状可以类似于正方形，可以是梯形的，或可以更复杂，诸如包含呈指数地或正弦变化的分量，只要快速过渡的周期和基本上恒定的值具有前面描述的性质。如此定义的类方波激励脉冲序列可以被认为具有最小的磁化准备周期。先前的基本上恒定的读出周期在特定状态下准备磁化，并且快速过渡到下一个基本上恒定的读出周期提供信号产生动力，其中第二基本上恒定的读出周期会确定在读出期间磁化分布演化所朝的稳态目标。

图58示出了实验数据，其示出了在基本上的恒定的保持时间的情况下从更类方波波形过渡到梯形波形的结果，所述保持时间足以实现针对每个激励半周期的稳态磁化。在这种方案下，在将梯形上升时间从3微秒更改为380秒时从样本获得的PSF几乎相同。达到此性能的关键在于，基本上恒定的保持时间是相同的，并且足以感应出稳态。在这种情况下，增加上升时间的作用是降低SNR效率和峰值信号(更多的梯形波形会施加较少的峰值磁转矩或感应出较少的峰值dM/dt)，并减少激励馈通与示踪剂信号之间的时间去耦。

图19示出了2D FOV的示例性类方波采样。如图所示，FFR随时间在整个图像上光栅化，同时类方波的激励迅速重复。示出了在FFR等中心点的不同平均位置处的交替方波半周期期间从接收器线圈接收的信号的示例。只有当由缓慢变化的移位波形确定的FFR等中心点的平均位置接近所描绘的椭圆形示踪剂幻影或与之重合时，才能观察到明显的时域响应。

如果类方波激励波形的半周期大于或等于示踪剂分布的磁弛豫或磁响应时间，则示踪剂分布将在每个方波半周期结束时达到磁化的稳态。在此，磁弛豫时间或磁响应时间是指示踪剂的磁响应在类方波波形的每个类阶跃过渡之后安定到稳态所需的时间量。该时间可以以各种方式精确地定义。例如，如果可以将示踪剂的磁脉冲响应适当地描述为一个或多个指数时间常数，则可以将响应时间定义为大于或等于最大或最大的时间常数的某个倍数。例如：tchar*2、tchar*3、tchar*4或tchar*5，其中tchar是平均值、边界、最大值或特征指数时间常数。图57的实验数据表明，即使不了解第一原理的示踪剂特征时间常数，也可以通过改变半周期并识别峰值信号强度和/或分辨率的渐近稳定性来获得所需的方波半周期(基本上恒定的保持时间)。在一些实施方案中，不一定是与不均匀过程相关联的最大值的tchar可以用于定义用于脉冲MPI信号编码序列中的稳态或近似稳态建立的目标。

示踪剂的磁响应时间通常是示踪剂所经历的绝对磁场的函数，使得零场时间常数最长，其中随着施加的场强的增加，时间常数单调减少(并且在非常高的场强下受到限制)。因此，与示踪剂相关联并且还与MPI系统中FFR的中心相关联的零场时间常数和/或低场时间常数通常将与最长的弛豫时间相关联并且将设置半周期要求以确保实现稳态。这也会对接收信号带宽产生影响。磁弛豫动力学不必严格遵循单个或多个指数模型。使用包含基本上恒定的周期的类方波(或更一般的)激励波形的结果与任何实际的磁物理性质有关，因为它们的特征始终在于有限的时间响应。相反，只要总的施加场在时间上连续变化，诸如在正弦激励波形或脉冲激励波形的非基本上恒定的周期的情况下，示踪剂分布就会受到连续激励并且弛豫物理性质会动态地变化。在基本上恒定的波形的特殊情况下，如在脉冲MPI中，没有连续的时间刺激。通过根据固定的空间模式演化的示踪剂分布的磁弛豫以及磁弛豫物理性质的强场相关性而仅产生衰减响应。可能的情况是：影响磁弛豫的因素中的其他时变源(例如，诸如粘度、结合事件、pH或化学反应等生理源)通过脉冲MPI编码方案可能仍会在基本上恒定的场周期期间导致时变弛豫动态，其可以是单独可见的或者被编码。

图11、图12、图13和图19示出了具有如此定义的类方波波形的激励的各种结果。在每个类方波的半周期期间，根据与示踪剂相关联的磁物理性质，示踪剂分布的磁化将朝前移动，并且在持续足够的时间下，最终达到与基本上恒定的磁场状态相关联的稳态磁化。从感应接收器线圈获得的信号将与磁化的时间变化率成比例，并且因此在特定响应物理性质所指示的某个初始特征之后将衰减为零。在理想方波的限制内，在磁弛豫动力学方面以及关于FFR和与每个阶跃相关联的示踪剂分布之间的相对几何形状，示踪剂分布的磁化将精确地遵循示踪剂分布的阶跃响应，并且接收信号将与示踪剂分布的脉冲响应成比例。

对于单点源，或者在不存在梯度场/FFR的情况下激励的分布式样本，在每个半周期结束时的磁化将对应于示踪剂在给定总场下的稳态M-H曲线上的单个点。对于MPI中通常使用的超顺磁示踪剂，这对应于稳态朗之万曲线上的点。对于存在梯度场/FFR的分布式点源，每个半周期结束时的总磁化对应于根据使用中FFR的特定形状映射到示踪剂的M-H曲线上的对应点的示踪剂分布密度的空间积分。稳态感应恒定保持周期与M-H曲线的采样之间的该关系在图11示出，并且表示即使在存在有限(并且可能任意大的)磁弛豫的情况下，在MPI中实现稳态信号编码。在通常忽略有限弛豫的许多原始MPI理论中，这种编码是期望的，并且有时是假定的。但是，对于相对于通常使用的正弦激励波形的周期而言具有长弛豫时间的较大粒子，实际上无法获得稳态编码。根据稳态理论，这排除了使用这些较大粒子获得大大提高的分辨率的可能性。

稳态恢复激励编码

稳态恢复序列可以对在其他编码方案中模糊的示踪剂响应动态进行编码，或者如果响应时间大大不同的多个响应动态对总体磁化演化以及因此对接收信号作出贡献。

在一些实施方案中，稳态恢复脉冲序列被构建成具有可变持续时间基本上恒定的周期，所述周期由短激励脉冲分开，如图10所示。在一些实施方案中，在建立稳态之后施加的激励脉冲提供基线磁化或信号值，以使与其他激励脉冲相关联的信号情景化，其中在所述脉冲之前没有实现稳态。例如，与FFR等中心点的特定平均位置相关联的第一脉冲可以提供此信息，而具有变化的脉冲间或恢复时间的一系列后续脉冲则对稳态恢复的动态进行编码。在基本上恒定的脉冲间周期期间，恢复原始的平均FFR等中心点位置。当该基本上恒定的周期的持续时间不足以允许在先前的脉冲推动之后稳态磁化的完全恢复时，与完全稳态建立的情况相比，与下一个脉冲相关联的信号将被衰减。衰减的程度或完全恢复的缺乏将根据示踪剂分布中被激励分量的示踪剂响应时间而变化。如图20的实验数据所示，在时域信号的包络中，具有可变脉冲间恢复时间的示踪剂动态响应的编码是显而易见的。

当FFR等中心点位于与脉冲间周期相关联的位置时，与每个脉冲相关联的信号的变化与示踪剂的磁响应时间直接相关。在一些实施方案中，少量脉冲将与给定的脉冲间FFR等中心点位置相关联，诸如在3至10的范围内。在其他实施方案中，每个脉冲间FFR等中心点位置可以施加多个100脉冲以对弛豫动力学进行密集采样。在一些实施方案中，将对大范围的脉冲间时间进行采样，例如，在5微秒至100毫秒的范围内，以完全捕获所有现存的弛豫过程的整体。如此宽的范围可能需要对脉冲间周期进行稀疏采样，或者以其他方式指示权衡；在一些实施方案中，脉冲间周期变化将遵循诸如平方、三次方、四次方等的幂次模式，而在其他指数采样中可以表征脉冲间周期采样模式。在一些实施方案中，将查询小得多的范围以在感兴趣的特定时间范围内增加采样密度。

在一些实施方案中，将不存在梯度场或FFR结构。然后可以仅使用均匀激励线圈将稳态恢复序列应用于样本，以用于查询总体上样本的零场弛豫动力学。在一些实施方案中，可以施加偏置波形，使得多个稳态恢复序列与非零的平均总场值相关联。

在其他实施方案中，可以在存在FFR的情况下但沿低或零梯度场方向施加稳态恢复序列。例如，可以在FFL扫描系统中沿着线施加稳态恢复激励。以这种方式，可以根据总施加场对弛豫信息进行编码，并且其被空间定位并与FFR或LFR等中心点的平均位置相关联。

稳态恢复方法与例如使用类方波脉冲序列来编码示踪剂弛豫动力学相比可具有优势。通常，示踪剂的磁弛豫可能同时具有明显的布朗和尼尔分量和/或非常迅速地(例如，在10微秒内)出现的明显的弛豫分量，以及在多个10或100微妙的时间尺度上或甚至在毫秒范围中出现的其他明显弛豫分量。在类方波编码方案中，由于感应信号接收的时间导数性质，最短的弛豫分量可能完全支配时域信号。由于时域SNR、带宽限制和/或本底噪声限制，在该方案中，很难在时域信号中直接编码和观察更长的和/或布朗响应，这对于生理对比度和感测非常重要。如本文所述，稳态恢复方法可以是用于精确且稳健地测量磁弛豫信号的这些较长和/或布朗分量的强大工具。通常，可以应用多种编码方案，诸如在单个或有序激励波形中包括类方波和稳态恢复分量两者。与稳态恢复序列中的每个脉冲相关联的时域数据可以包含与单个类方波周期相似或等效的信息。同时或串联使用多种编码技术可以以导致条件良好且稳健的重构问题的方式对不同的弛豫信息进行编码，例如在具有不均匀弛豫动力学的示踪剂的情况下。

SNR高效的激励脉冲波形

例如，为了提供更高的SNR效率，可能需要更复杂的编码方案和脉冲序列。图21示出了在特定激励脉冲串期间，施加到以正交布置驱动的正交线圈上的一系列脉冲如何导致FFR等中心点围绕FOV中的特定位置的旋转。为了说明的目的，环绕模式的半径或大小不必相对于所示的FFR几何形状、成像FOV和慢移光栅模式按比例缩放。例如，实际上，环绕模式可以相对小得多。此外，施加在每个位置的脉冲可能不是一个简单的基本上恒定的周期；如图5所示，快速过渡可能会将多个脉冲形状中的任何一个分开，包括快速过渡FFR的平均位置后的短暂正弦脉冲。与中心点周围的每个编号位置相关联的脉冲的持续时间可能比建立稳态条件所需的持续时间短得多，但是会引起与快速过渡和/或对一般激励的响应相关联的明显的时间峰值。在一些实施方案中，可以与这样的快速激励和读出波形结合使用稳态感应的基本上恒定的周期。通常，旋转激励可以提供与成像FOV中的位置或小区域相关联的相对较大的聚集信号，并且在短时间段内，与较简单的光栅扫描相比时，SNR效率增加。该环绕的脉冲波形可以与慢移场一起重复，以随时间对整个成像FOV进行采样。

其他系统排序

如图17、图18和图19所示，脉冲激励波形通常将与其他重要序列结合使用，以完成完整的断层摄影成像或投影成像。通常，我们注意到pMPI编码可以与系统矩阵方法一起使用，在所述系统矩阵方法中，使用位于成像视野(FOV)中不同位置的点源进行多次校准扫描以构建系统矩阵，所述系统矩阵可以被反转以产生使用相同系统和扫描轨迹获得的可能更复杂的样本的图像。

慢移

为了涵盖大的成像视野(FOV)，例如大于与激励波形相关联的位移，缓慢变化的均匀波形可以与重复的激励波形叠加。如图17、图18和图55所描绘的，这允许FFR等中心点的平均位置随时间缓慢平移。与周期性激励波形的各个激励分量的时间尺度相比，慢移波形可能足够慢，而使得在各个激励周期期间慢移波形对移动FFR结构的影响可以忽略不计，并且例如在脉冲波形的基本上恒定的周期中对与期望幅度的最大偏差的时间保证得以保持。在其他实施方案中，尤其是在需要快速采集的实施方案中，慢移波形的影响可能以不可忽略的方式增强示踪剂的激励。

多个慢移波形可以与在给定扫描中要移位的主轴中的每个相关联。对于FFL扫描系统，可以使用与FFL的线正交的平面对齐的两个移位分量来采集投影图像，并且可以在FFL和样本之间的相对几何形状围绕固定轴旋转之后采集连续的投影图像，如图17所描绘的。对于FFP扫描系统，需要在所有三个维度上移位FFP。

图17、图18和图55描绘了在整个成像FOV上使FFR光栅化的移位波形的特定实施方案。通常，其他移位波形可以用于以不同的轨迹随时间对较大的FOV进行采样。例如，在某些应用中可能需要非笛卡尔的径向或螺旋慢移轨迹。此外，取决于FFR结构，移位波形可能随时间对更大的3D区域进行采样。在FFR结构位于所有三个维度上的情况下，诸如FFP，移位波形可以与所有三个主轴相关联，以使FFP在三维空间中任意移动。在FFL的情况下，如图17所描绘，旋转波形将是断层摄影成像所需的。在一些实施方案中，将以由旋转波形实现的离散投影角来采集2D切片数据。在其他实施方案中，投影角度可以在数据采集期间连续变化。旋转可以通过以下一者或两者来完成：相对于样本旋转产生FFL的磁体系统或相对于产生FFL的磁体系统旋转样本。

梯度波形

当使用电磁体作为产生FFR结构的梯度场的源时，取决于应用，可能需要不同类型的梯度波形，如图22中所示的示例性梯度波形所示。例如，可以在成像扫描的整个过程中施加恒定的梯度强度。可以在多次扫描之间改变该强度，使得以不同的梯度强度获得多个成像数据集。例如，可以在以较高梯度强度和改进的固有空间分辨率编码进行的较长扫描之前执行以低分辨率进行的快速侦察扫描。来自侦察扫描的信息可以用于在后续扫描中设置成像参数。

如图22的底部所示，在成像扫描期间动态调制梯度的强度可能也是期望的。在具有来自信号处理模块的主动反馈的情况下，可能期望在信号很少或没有信号的情况下粗略扫描FOV的区域，并且仅在存在信号的情况下增加梯度并因此增加固有的MPI分辨率编码。对于稀疏的示踪剂分布，这可以提供快得多的扫描。受磁刺激和/或SAR转换限制的影响，梯度波形的重复和快速调制可以用于在单个扫描中提供整个成像FOV上的多分辨率编码，而无需多次遍历或扫描。

信号处理与重构

脉冲MPI编码方案允许采用多种方法来由接收到的数据形成图像。图23描述了脉冲MPI x空间数字信号处理和重构中的主要部件。来自接收器线圈的模拟接收信号在接收电子器件链的末端被采样和数字化。这些信号与扫描中应用的已知脉冲序列一起用于执行各种信号处理和调节任务。这些可能包括任务(诸如数字滤波)、分段缩减步骤(诸如积分或求阈值)以及相位校正。这些任务可以在时域中完全执行，而无需将数据例如变换到傅立叶空间中。在其他实施方案中，数据可以被变换或投影到合适的基础集上。

在完成数字信号处理步骤后，一个或多个产生的信号将被直接变换、或组合且然后变换到图像域中。脉冲MPI中的常见模式是处理时域信号，使得单个值或少量值与激励脉冲序列的每个重复方面相关联，如图18、图24和图25所示。在x空间方法中，然后可以将这些单个值或少量值与图像空间中的物理位置相关，例如，基于FFR等中心点相对于每个重复的激励脉冲序列模式或读出周期期间的移位波形和可能的激励波形的平均位置。就与每个脉冲激励周期相关联的FFR位置的采样密度可能是不均匀的，并且通常在样本点的集合与构成期望的规则图像空间网格的最终图像域像素/体素的位置集合之间存在多对一关系。可以采用具有平均或加权平均的某种形式的内插网格化过程来实施该映射。在该过程中可以使用各种内插方案。例如，可以采用经由最邻近方法的内插、线性内插或诸如使用多项式或样条的较高阶内插算法。内插网格化步骤还可以在网格化之前或与网格化同时应用滤波处理，例如以拒绝具有低SNR的值。

也可能期望使用重构的系统矩阵方法。在这种方法中，脉冲MPI系统矩阵由多个脉冲MPI采集数据集构建而成。特定地，可以将点源放置在最终像素/体素位置的中心位置处。对于每个位置，执行pMPI采集，诸如图17、图18和图19中所述的。与每个这样的采集相关联的数据可以用于构建系统矩阵的单个行或列。在作为矩阵行或列的采集和存储之间，可以应用各种数字信号处理和/或数学变换，诸如到傅立叶域的变换。另外，与每个采集相关联的数据可以适合于分析模型、数学函数、最小基集或者以其他方式压缩以最小化系统矩阵的存储要求。例如，可能期望使用如前所述的已知FFR等中心点轨迹，对与每个周期性读出周期相关联的原始或处理后的数据执行x空间积分网格化。然后可以将每个点源位置的产生的x空间图像用于填充系统矩阵的行或列。无论如何精确地构建pMPI系统矩阵，然后都通过将相同的激励序列(如应用于每个点源)应用于感兴趣的样本，来提供通用样本的成像。然后可以使用任何标准算法(可能包括各种正则化方法和约束)解决显式矩阵逆问题，以生成最终图像。将pMPI编码用于系统矩阵方法可能比连续波系统矩阵方法更合乎需要或有利，因为改进的pMPI分辨率编码会改进系统矩阵的行或列的正交性，其继而改进矩阵逆问题的条件。当选择大小与原生或朗之万FWHM大小相似的系统矩阵方法的体素大小时，将大大改进逆问题结果的条件。通过减少或消除磁弛豫的影响，特别是对于较大的示踪剂，pMPI编码可以为比使用连续波pMPI编码可获得的更小的像素/体素大小提供条件良好的系统矩阵公式。

如前所述构建的一个或多个图像可以经历最终的后处理步骤。例如，可以将以不同分辨率重构的一个或多个图像组合为单个图像，可以使用一个或多个图像来创建具有彩色对比度的一个或多个新图像，或者可以将一个或多个示踪剂密度图像与一个或多个弛豫图像组合以创建具有弛豫谱信息轴的四维成像数据集。通常，产生不同的示踪剂密度和示踪剂弛豫图像是脉冲MPI的特征。

示踪剂密度重构

示踪剂密度的图像可以使用各种网格化方法来重构。可以对与基本上恒定的读出周期或更复杂和重复的脉冲激励波形相关联的时域数据进行积分，并且将所得的值网格化到像素或体素位置。网格化过程可以使用FFR等中心点的已知x空间轨迹来将时域信号映射到图像空间位置。在一些实施方案中，在重复的脉冲激励期间FFR等中心点的平均位置或与基本上恒定的读出周期相关联的FFR等中心点的单个位置将为该映射提供规则。

图26示出了使用传统正弦MPI和脉冲MPI中的两种不同重构方法从实验数据得出的根据示踪剂芯直径变化的原生分辨率的曲线图。还示出了理论朗之万极限。在这些数据中，由于磁弛豫对重构过程的影响，传统的连续正弦波MPI分辨率不会将示踪剂芯大小改进到超过约25nm。所有其他变量都是常数，磁弛豫程度通常是示踪剂芯大小的强函数，其中较长的弛豫时间与较大的示踪剂相关联。这通常会阻止在标准MPI中实现理想的朗之万理论所预测的原生分辨率。但是，脉冲MPI方法示出了对于较大芯大小分辨率不断提高，并且弛豫加权重构方法提供的分辨率比仅稳态朗之万理论预测的分辨率更高。

图27示出了针对使用两种不同的脉冲MPI重构的同一示踪剂利用AWR获得的实验性1D PSF和分辨率测量值(FWHM)，并示出了与传统MPI方法相比，使用脉冲MPI技术获得的改进的原生分辨率。在右侧，1D PSF信息用于模拟二维成像情境中的预期效果。

图54示出了将用3.5T/m MPI系统获得的规范化正弦MPI数据与用2D启用的AWR系统(用FFL磁体和移位系统更改的AWR)获得的2D脉冲MPI图像进行比较的实验性2D幻影图像。标准MPI数据表明与标准示踪剂(VivoTrax^TM)相比，较大的示踪剂(27.4nm单芯示踪剂)如何具有差的分辨率。使用较大示踪剂的2D脉冲MPI数据要清晰得多，并且与相邻图中的理论朗之万模拟非常相似。1.5mm样本的两点无法在3.5T/m标准MPI图像中分辨，但可以在3.5T/m脉冲MPI图像中分辨。

在使用基于FFL或其他基于投影性FFR的脉冲MPI系统的一些实施方案中，在计算图像域值并对这些值进行网格化或内插之前，可以首先将投影重构应用于以FFL/FFR与成像体积之间的不同相对角度收集的原始时域数据。以这种方式，可以在将时域数据减小到图像域值之前，将时域数据与在所有三个空间维度上分辨的位置相关联。

直接积分的网格化。

基于读出期间FFR的位置，可以将与读出周期相关联的时域数据的积分直接内插或网格化到规则像素或体素网格上。网格位置也可以在读出之前，例如在磁化准备或先前的读出周期期间，由FFR的位置部分地确定。

使用AWR的方波PSF重构

图28示出了一个实施方案，其中在一个或多个接收线圈的接收电压信号的曲线下方并与每个类方波半周期步长相关联的积分区域被网格化到平均FFR等中心点位置。在没有梯度场或当使用AWR时的扫描的情况下，此过程对应于使用偏置场时网格化为总施加场的平均值。在图28描述的实施方案中，将从对接收信号进行积分中获得的单个值网格化为前半个周期和当前半个周期的FFR等中心点位置的平均值或者等效地沿着连接每个步骤之前和之后FFR的位置的线的中点。在没有梯度的扫描的情况下，施加场空间中的对应网格位置是与前一个步骤和当前步骤相关联的两个总施加场值的平均值。由于方波激励中的阶梯跳跃表示投影性激励，所以将沿连接相邻的方波半周期的线的所有示踪剂激励到一定程度(如本实施方案中的直接积分网格化方法)将基于方波振幅的大小产生投影性模糊。除非在每个半周期期间都实现完全稳态条件，否则模糊还将取决于类方波半周期的持续时间。如果实现了稳态，则模糊达到最大值，变得关于中点对称，并且在数学上可以将自身表征为矩形函数。

图26中最接近理论朗之万曲线的实验数据点是使用类方波脉冲MPI激励和重构获得，其中相对于与示踪剂相关联的稳态朗之万曲线的导数的FWHM超过示踪剂的最大弛豫时间和小的方波振幅的方波半周期用于最小化这种直接积分的网格化技术所固有的投影性模糊。如图27所示被标记为方波脉冲MPI的实验性PSF还使用低振幅、稳态感应方波脉冲MPI方法获得。在一些实施方案中，方波振幅会被选择为小以实现任意接近理想的分辨率，诸如在0.25mT至1mT的范围内。在其他实施方案中，较大的振幅将用于增加SNR并引起适度的分辨率损失。通常，可以通过选择方波振幅来任意改变SNR-分辨率的平衡，所述振幅受诸如磁刺激/SAR、硬件和功率限制以及信号数字分辨率等约束的影响。

利用投影重构技术进行的积分网格化

在一些实施方案中，可以应用投影重构技术来代替直接积分网格化。这可能是使用较大的脉冲激励振幅而不引起大的投影模糊损失的理想方法。脉冲激励可以看作是沿着激励方向的局部投影。正交激励线圈或旋转样本和脉冲激励方向之间的相对几何形状的其他机制可以用于提供以不同激励角度对局部部分视野(pFOV)进行采样，从而实现如图29所示的局部投影重构技术。

在其他实施方案中，可以将许多局部pFOV投影激励相加在一起或以其他方式组合以获得完整的FOV投影。以这种方式，可以在对多个角度进行采样之后执行单次完整的FOV投影重构，如图30所示。

由于投影重构方法固有的SNR益处，这些投影重构方法可以提供改进的SNR效率。通常，这种益处将取决于每个角度所需的阶跃数、角度数量以及每个切片的投影重构数量。从编码和重构的角度来看，当在正交于FFL的线方向的激励方向上使用这些方法时，这些方法表示一种仿真使用无场平面或无场平板FFR几何形状的方法。通常，可能需要逆公式、正向模型公式和迭代重构算法来解决这些投影重构问题。

磁化图像重构

当使用脉冲MPI激励序列时，其中示踪剂分布的磁化在每个连续的读出周期结束时实现稳态，可以考虑将磁化的图像直接重构为中间图像或最终图像。

如果在每次读出期间或更通常在连续重复的脉冲激励波形之间建立稳态，则在每个重复的激励周期期间与接收线圈相关联的信号的曲线下方的区域与在一个激励周期和前一个周期建立的绝对磁化状态之间的有限差成比例。在一些实施方案中，这构成了所有连续激励之间的递归关系。在已知的初始条件下，可以求解这些递归方程，以产生与每个脉冲激励的结束(稳态)相关联的绝对磁化成正比的信号。如前所述，这些值可以被网格化为平均FFR位置，以获得磁化图像。

在一些实施方案中，可以采用有限差和代数方法(诸如托普利兹矩阵的求逆)来求解递归方程。取决于脉冲序列编码，这种重构方法可能会受到不良条件的影响并且是不适定的。可以利用先验假设或特定的编码方案来改进这种情况。例如，可以采用非笛卡尔FFR轨迹，其中单个FFR位置用作许多连续FOV位置的采样之间的参考或锚点。在一些实施方案中，其中关闭激励源和可能的移位源的零场激励将建立绝对参考并且破坏递归关系。

这样的磁化图像的特征可以在于PSF，其缺乏医学成像中通常需要的有限支持以及甚至对称性。在一些实施方案中，在适定磁化图像重构之后，将应用有限差分或数值导数技术，以利用在MPI中更典型的朗之万PSF来实现最终图像。在一些实施方案中，例如使用系统的正向模型描述，将两种过程都制定为一种重构算法。当执行这样的变换时，可以采取平滑或正则化措施以避免图像噪声的显著放大。这些可以利用稳健的先验假设，例如，关于预期示踪剂PSF的空间带宽的假设。这样构建的图像不会像直接积分网格化的情况那样遭受投影模糊。

弛豫加权和弛豫滤波重构

具有磁化准备序列的一些脉冲波形将使用存在于梯度或FFR情境下的空间变化磁弛豫条件来固有地加权信号，如图10和图12所示。除了任何磁化准备之外，包括至少一个基本上恒定的区域的所有读出周期在与该恒定读出周期相关联的时域数据中还包含特征明确的固有空间编码，如图12所示。

在重构期间，可以应用选择性积分、开窗、时间分解、各种时间权重或滤波器来使用此二次空间编码来提高示踪剂密度图像的分辨率，这可能会以SNR为代价。这表示示踪剂密度信息与弛豫动力学的耦合。图31示出了具有所得实验数据的一个实施方案。这样执行的弛豫加权可以将分辨率提高到比用稳态朗之万物理性质可能实现的更好的分辨率，该更好的分辨率在以前被认为是MPI中相对于原生分辨率的基本限制，如图26的实验数据点所示。在先前描述的任何重构方法之前，可以在接收的时域信号的数字信号处理中应用弛豫加权。

在一些实施方案中，可以通过对与读出周期相关联的时域数据进行选择性开窗或求阈值且在信号积分和网格化步骤之前执行弛豫加权。可以以各种方式执行开窗，并且可以产生与应用于数据的许多不同窗口中的一个相关联的不同图像。例如，可以将多个不重叠的窗口应用于数据集，如图33所示。如这些数据和图12中所示，与读出周期的早期部分或窗口相对应的时域信号更多地与远离FFR等中心点的示踪剂相关联，而与较晚部分或窗口相对应的时域信号更多地与更接近FFR等中心点的示踪剂相关联。由与较晚窗口相关联的数据或在某些时间阈值之后重构的图像可以以SNR为代价大大提高分辨率。由覆盖与读出相关联的时域数据集的完整范围的一组非重叠窗口重构的图像具有以下性质：这些图像的叠加等效于利用覆盖整个时域读出周期的单个窗口进行单个图像重构。以这种方式，这些开窗过程可以看作是全信号的分解。

可以将更通常的加权过程应用于时域数据，其中先前讨论的开窗和求阈值表示二进制或类似步长的加权。在对时域数据进行积分和网格化之前，可以将加权过程应用于各个分解的数据集或跨多个分解的数据集应用。例如，与整个时域读出周期相关联的时间数据，或与一个或多个时间分解相关联的时间数据，可以通过线性斜坡或通过更复杂的时间加权(诸如线性斜坡和单位权重的分段组合、多项式函数、或指数函数)来进行加权。这些加权可以用于经由弛豫动力学来强调空间-时间编码。如本文所讨论的，更平滑或更连续的加权可以在与弛豫加权固有的SNR分辨率权衡相关联的条件方面提供更大的灵活性或提供与所述权衡相关联的更有利条件。经由时间加权来权衡SNR和分辨率的能力是在脉冲MPI中权衡SNR和分辨率的第二种方法，例如，其与在使用直接积分网格化重构方法时选择激励振幅中可能的SNR分辨率权衡无关。

在一些实施方案中，可以应用滤波器来实现分辨率的弛豫加权的改进。在规范化的单音连续波系统中，众所周知，基本激励频率的更高次谐波与图像域中更高空间频率信息相关联，这导致了基本的分辨率-接收带宽权衡，其中需要增加总接收带宽来提高分辨率，且反之亦然。但是，由于弛豫的影响以及使用足够长的静态半周期以建立稳态磁化，我们在脉冲MPI中可能具有非常不同的关系，其中仅保留与较低频信号带宽的一小子组相关联的数据可以提高分辨率，如图32中针对方波激励实施方案所示。

来自更远离FFR等中心点的示踪剂的信号的特征为信号，其既发生在读出周期的早期且又通常且相关地特征在于时间上更快速变化的信号分量。从傅立叶域的角度来看，这意味着更高的频率分量。因此，弛豫通常允许空间-频率分离性。类似于时间窗口的应用，时域或频域滤波器(在应用傅立叶变换之后)也可以用于提高分辨率。与前面描述的许多时域方法不同，这些频率可以允许提高分辨率，而不会损失SNR。在一些实施方案中，有可能同时提高分辨率和SNR。这是可能的，因为尽管滤除与更高次谐波相关联的数据通常确实会移除信息，从而移除信号强度，但由于带宽减少，其还会移除噪声。如果噪声降低大于或等于信号损失，则我们将维持或超过原始SNR。通常，可以通过简单的时间开窗、滤波或两者来提供在重构中利用弛豫信息。

某些脉冲激励波形可以被看作是利用周期性重复激励波形(例如，方波)的基本频率与特定激励波形的每傅立叶分解的更高次谐波来对示踪剂分布的同时激励。在这种情境下，从示踪剂接收到的时域响应信号也将集中在基本频率谐波周围的小频带中。每个谐波周围的频带大小由系统的其他特征(诸如移位场转换速率)决定。这导致了与规范化的单音连续波系统中类似的接收带宽结构。但是如图32所示，信号强度、分辨率和带宽之间可以有非常不同的关系。在图32的方波实施方案中，可以仅由基本谐波周围的单个小频带构成高质量图像。还可以选择其他谐波周围的一个或多个频带，并且图32示出了所包含的谐波频带数量与1D图像FWHM和峰值信号强度之间的实验关系。我们看到分辨率和带宽之间的关系与规范化连续波MPI中观察到的关系相反，随着接收带宽的增加，分辨率变差。这种方法利用了先前描述的时间开窗和相关的时域操作所利用的相同的弛豫空间-时间编码，但是是通过使用时域滤波器而不是逐点乘法窗口来实施的。在其他实施方案中，可以使用脉冲激励波形，使得将接收带宽描述为某个基本频率的谐波周围的小频带是不合适的。然而，在这些实施方案中，与弛豫的相同空间-时间和空间-频率耦合可能是适当的，并且用减小的接收带宽提供了改进的分辨率。

通常，可以使用时域数据的弛豫加权、开窗、滤波或更一般的分解来生成许多具有不同分辨率和SNR的图像，然后可以使用例如多分辨率图像处理技术将它们组合成一个或更少的图像。所使用的窗口和分解可能不重叠，或可能包括重叠。类似于先前针对一般情况所描述的，为弛豫加权成像制定系统矩阵方法也是可能的，并且可能也是希望的。在弛豫加权的系统矩阵重构的情况下，将需要在构建系统矩阵之前对数据进行变换，诸如使用x空间网格化和开窗和/或滤波的点源图像作为矩阵行或列。以这种方式，被获得用来构建系统矩阵的单个校准数据集可以用于构建许多不同的系统矩阵，包括具有和不具有弛豫加权/滤波的情况。与样本扫描相关联的原始数据将需要在求解逆公式之前进行相应变换。

弛豫图像重构

通常，在脉冲MPI中磁弛豫信息直接编码在接收的时域信号中。该磁弛豫信息可以被测量、拟合、量化或以其他方式表征。该量化可以在不使用梯度场的情况下以非成像传感器或频谱格式完成，或者可以在梯度场的情境中执行该量化以产生弛豫图像和/或4D成像数据集。当产生弛豫图像时，基于FFR等中心点的已知轨迹将磁弛豫现象的度量网格化到图像空间位置，以创建弛豫图像，其中弛豫图像的信息与示踪剂密度图像不同，并且在很大程度上或完全与示踪剂密度图像正交。利用一些编码方案，可以将弛豫图(根据施加场变化)与图像空间中的每个像素或体素相关联。如果不存在梯度场或FFR结构，则可以快速产生表示整个样本体积的弛豫图，所述弛豫图根据施加场变化。在其他实施方案中，可以提供将示踪剂密度描述为根据空间和与弛豫相关联的变量变化的4D数据集。在一些实施方案中，可以使用系统矩阵方法来构建弛豫图像。在构建合适的系统矩阵时，可能需要部分x空间网格化以及动态参数的拟合、测量或量化。

在MPI中，示踪剂的磁弛豫的特征可以在于多种和可能相互作用的现象，例如尼尔、布朗或铁磁物理弛豫过程。无论弛豫物理性质的具体性质如何，在异质情况下，较快的磁弛豫过程和较慢的磁弛豫过程之间也可能会有所区别。脉冲MPI编码允许采用多种方式对弛豫信息进行编码，包括针对这些不同的分量进行编码，使得重构过程可以观察、查询或强调磁弛豫的不同方面。

通常，在脉冲MPI中，且尤其是在使用具有较大磁芯大小的示踪剂时，磁弛豫现象可能对局部微环境过程和条件敏感。当使用示踪剂来标记细胞时诸如粘度、pH、活性氧物种浓度、生化状态、示踪剂结合事件、细胞的状态或生存力等变量、各种生化过程的运动学或动力学等都可能影响示踪剂的磁弛豫性质。当示踪剂表现出明显的布朗弛豫现象时，可能尤其是这样，其中在与局部施加场对齐的过程中，示踪剂物理地旋转，包括磁芯和外壳两者。示踪剂经历布朗弛豫的时间动力学是用作磁转矩的施加场强度和任何旋转阻力源两者的强函数。在脉冲MPI中，当施加激励场的基本上恒定的周期时，示踪剂分布的磁化基于FFR结构施加的磁转矩与局部微环境条件之间的相互作用而朝着新的稳态演化。当在FFR等中心点的不同平均位置重复施加相同的脉冲激励时，感兴趣的局部微环境变量中的任何差异都将在可观察到的磁弛豫方面提供对比度。这些变量中的许多变量可能与感兴趣的生理过程相关联，并且因此可能直接或间接地将生理对比度编码到MPI信号中。当由这些数据重构弛豫图像时，可以提供在示踪剂密度图像中无法观察到的生理对比度。

图34示出了当使用脉冲MPI波形时弛豫信息的编码的关键特征，以及该编码如何产生重构弛豫图像的能力。与示踪剂密度成像的情况一样，有关示踪剂分布的空间信息既经由朗之万饱和现象进行编码，也在读出周期的信号动态范围内进行时间编码。朗之万物理性质意指，不管弛豫性质如何，远离FFR等中心点的示踪剂对与给定脉冲激励相关联的时域信号贡献很少的或不贡献信号能量。对于足够接近FFR等中心点以贡献非不重要信号能量的示踪剂，贡献将基于与FFR等中心点的距离而变化，使得最接近FFR等中心点并与较低总施加场强度相关联的示踪剂将经历特征为较长弛豫时间的弛豫，而离得较远的示踪剂将经历特征为较短弛豫时间的弛豫。通常，与给定脉冲激励读出周期相关联的时域信号将是示踪剂脉冲响应的加权混合或叠加(来自使用感应信号接收时的体积积分)，其遵循由其相对于FFR等中心点的位置和局部微环境条件确定并也由朗之万物理性质按与FFR等中心点相距的距离来加权或缩放的弛豫过程。局部微环境条件对弛豫动力学的影响可能会提供生理信息到脉冲MPI信号中的强耦合。

这样构建的弛豫图像可以具有各种后处理步骤，所述后处理步骤被应用来强调或识别感兴趣的成像方面，例如，特定的生理对比度或感兴趣的信号。在一些实施方案中，对弛豫图像求阈值可以用于区分不同的感兴趣的现象或使图像着色。也可以将弛豫图像和示踪剂密度图像(可能由来自同一次扫描的数据构成)组合成一个或多个彩色图像。

直接响应网格化

在一些实施方案中，与每个读出周期相关联的原始时域信号直接对磁化脉冲响应进行编码。例如，在快速过渡之后存在基本上恒定的周期的情况下，磁示踪剂分布将以类似于阶跃响应的方式演化为新的稳态磁化分布。通过使用感应接收线圈施加的时间导数将实现直接在原始时域信号中可观察到的类似脉冲的响应。在这些情况下，可以为每个读出周期测量或拟合一个或多个特征弛豫参数，并将其网格化或内插到规则像素或体素网格上以形成弛豫图像。在一些实施方案中，与每个步骤相关联的图像域网格点是该步骤期间的已知FFR等中心点位置。

AWR中的类方波弛豫图或PSF

图35示出了使用类方波脉冲序列编码并且如图24和图25所述重构的弛豫成像的一个实施方案。在该实施方案中，方波激励导致交替的时域脉冲响应。这些脉冲响应中的每一个都是与FFR等中心点附近的示踪剂相关联的弛豫现象的加权叠加的结果。一般而言，各个和组成的弛豫响应由与FFR等中心点相距的距离和局部微环境条件确定，并由与FFR等中心点相距的距离根据朗之万物理性质加权。在这种情境下，每个脉冲响应都可以看作是局部聚集的(相对于FFR)示踪剂响应。可以例如通过将单个均值、特征或聚集指数弛豫时间常数拟合到与每个方波步骤或半周期相关联的时域数据来量化每个脉冲响应。然后，每个拟合值可以与步骤中FFR等中心点的平均位置相关联，或者与不存在梯度场的激励中的总施加场相关联。与示踪剂密度成像的情况一样，结果通常是样本点与最终成像网格之间的多对一关系。可以执行内插网格化步骤以将所测量的弛豫时间的集合映射到像素或体素的最终规则网格。如上所述，可以在测量、拟合或量化弛豫动态之前应用弛豫加权或滤波，以例如进一步定位弛豫拟合的量度。在使用基于FFL或其他基于投影FFR的脉冲MPI系统的一些实施方案中，投影重构可以在拟合动态弛豫值和将拟合值网格化或内插到x空间中之前，首先应用于以FFL/FFR和成像体积之间的不同相对角度收集的原始时域数据集。以这种方式，在将时域数据减小到图像域值之前，可以将时域数据与在所有三个空间维度上分辨的位置相关联，这可以改善动态拟合的条件并更好地在3D空间中定位真实弛豫行为。

AWR可以用于测量样本的根据施加场强度变化的聚集弛豫时间常数，如图35所示。类方波激励与缓慢的线性斜升偏置场叠加，以对大的磁视野进行采样。根据施加场强度变化的该一维弛豫图可以看作是弛豫图像PSF，其类似于类似构造并描述磁弛豫动力学如何根据总施加场和/或在存在梯度场的成像情境中与FFR等中心点相距的距离变化的示踪剂密度PSF。此外，此弛豫图描述了聚集示踪剂样本如何响应样本中的聚集微环境条件。当样本暴露于不同条件下时，可以根据需要通过扫描和弛豫图重构查询同一样本或许多不同样本中的局部微环境条件。此过程可以用于感测、检测和量化示踪剂动力学和弛豫PSF对微环境条件的敏感性，从而提供有关给定示踪剂的弛豫成像格式中可用的预期对比度的信息。

虽然在图35所示的实施方案中每个激励读出拟合单个代表性的弛豫时间常数，但是在其他实施方案中，可能希望拟合一个以上的弛豫参数。例如，可以拟合一个以上的指数时间常数，并且可以拟合一个或多个指数振幅以及一个或多个时间常数。如果示踪剂的物理性质受多个过程(诸如结合的尼尔和布朗过程)管控，如果示踪剂的特征(诸如磁芯大小和外壳直径)不同，如果存在任何其他不理想状况，或者如果4D成像需要对弛豫进行谱分解，则这些方法可能期望的或动机良好的。单个指数时间常数本身并不一定是精确的，因为众所周知，时域信号将是与在不同位置处并受不同条件影响的示踪剂相关联的各种响应时间的加权平均值或混合。但是，简单的模型(诸如单个指数时间常数)可以有效且稳健地捕获动力学，并从生理或分子成像的角度提供非常有意义的对比。

通常，弛豫动力学可能适合于磁示踪剂弛豫的现象学或物理模型，该模型比用指数时间常数描述的简单线性一阶过程更为复杂。在一些实施方案中，可以拟合、测量或导出除时间常数以外的弛豫参数。例如，诸如峰值延迟时间、FWHM或如由某个阈值(诸如SNR阈值)定义的有限支持时间之类的参数可能更具指导性，更好地表征时间动态，或者增强弛豫成像中感兴趣的对比度。

稳态恢复图像重构

在一些实施方案中，脉冲序列可以使用稳态恢复脉冲激励波形来查询在FFR的给定平均位置附近实现示踪剂的稳态的时间。这种类型的编码和相关联的原始数据的实施方案在图20中示出。在这种情况下，可以量化或拟合稳态恢复或弛豫时间的量度。稳态恢复激励允许在存在快得多的时间常数和同时发生的相关联的物理现象的情况下，可测量或可检测到长得多或总的时间常数。在某些条件下，某些MPI示踪剂的特征可以为同时的弛豫过程，它们的特征时间相差一个数量级或更多个数量级。此外，缓慢的过程可能占示踪剂响应的总能量的很大一部分，但是当与快速过程和本底噪声并置时，该过程的动态可能难以在原始时域信号中捕获。在这种情况下，稳态恢复编码提供了一种稳健的方法来量化较慢的过程和/或与过程相关联的总的或组合的弛豫时间。

图36示出了可以如何处理稳态编码信号以产生量化的弛豫信息。FFR的每个平均位置，或作为没有梯度的独立传感系统，应用一系列具有可变脉冲间周期的脉冲。输出的原始数据包含与每个脉冲相关联的特征信号脉冲响应。激励脉冲之间的早期和/或短持续时间的脉冲间周期不允许示踪剂分布在下一次激励之前达到稳态。在这种情况下，分布将处于与每个脉冲相关联的状态和与脉冲间周期相关联的状态之间的某个中间状态。在较短持续时间的脉冲间周期之后施加的脉冲将导致总能量较低的信号尖峰，例如，较低的峰值和/或曲线下的区域。这很容易在图20和图37的原始数据中看到。完整的稳态能量可以与初始脉冲相关联，在实现与脉冲间周期FFR位置相关联的稳态之后施加或者通过在实现稳态所保证或已知的脉冲间周期之后施加的最终脉冲施加，或者两者。可以在第一脉冲和最终脉冲之间施加许多脉冲，使用可变的脉冲间周期来对示踪剂分布的弛豫动力学进行采样。在一些实施方案中，成像应用将使用相对较少的脉冲以确保合理的总扫描时间。在一些实施方案中，非成像(无梯度)应用将使用更多的脉冲来更密集地对弛豫动力学进行采样。

许多方法可以用于量化稳态恢复激励所查询的弛豫动力学。在一些实施方案中，包络将拟合至原始数据，如图36所示。例如，可以拟合指数，使得包络的指数时间常数对应于经由稳态编码分析与示踪剂相关联的弛豫时间。在其他实施方案中，特征时间将从原始数据和/或拟合至原始数据的包络直接拟合或内插。例如，可以直接计算或内插实现稳态峰值或能量值的63％所需的脉冲间时间，并且可以将其报告为特征时间常数。

沿着线的激励

在一些实施方案中，脉冲激励将沿着FFL的线引导。在这种方案中，所述线不在正交平面中平移，而是从FFL过渡到LFL或从一种强度或极化的LFL过渡到另一强度或极化的LFL。FFL或LFL在正交平面中的平均位置是恒定的，与沿线方向施加的激励脉冲无关。在一些实施方案中，可以以不同的施加场强度来查询示踪剂沿着线的弛豫。类似于使用AWR中的脉冲编码构建的弛豫图或当不存在梯度时，可以使用激励脉冲序列针对总施加场强探测示踪剂分布的弛豫动力学。然而，该信息现在被激励线在空间上定位。可以在FFR和/或FFL的不同平均位置处施加该激励。在投影模式下或在完整的断层摄影投影重构之后，1D弛豫图或其他非标量值都可能与各个像素和/或体素相关联。通常，可以像在其他弛豫图像实施方案中一样，将这些多值数据集减小为品质的标量值以产生标量弛豫图像。这些数据也可以减少或变换为4D数据集，将示踪剂强度描述为根据空间和与时间弛豫相关联的变量变化。

时间分解

与示踪剂密度成像的情况一样，时域信号本身所固有的空间-时间编码可以用于构建弛豫图像。在弛豫图像形成之前，可以将与弛豫加权示踪剂密度成像中所应用的相同或相似的加权、开窗或滤波过程应用于时域信号。在一些实施方案中，可以将诸如指数时间常数之类的品质弛豫参数拟合到时域信号的多个不同的开窗分解或不同的滤波版本中的每一个。由于读出信号的较早方面将通过快速弛豫过程(包括归因于距离FFR等中心点较远的粒子的过程)进行更多加权并且较晚方面将通过较慢弛豫过程(包括归因于距离FFR等中心点较近的粒子的过程)来进行更多加权，因此与不同窗口或滤波器相关联的弛豫参数的度量提供一种滤除或选择与特定现象相关联的弛豫时间的机制。在一些实施方案中，该过程将提高弛豫图像的分辨率。在一些实施方案中，该过程可以用于滤除或选择不同的弛豫状态，诸如结合与未结合，而与空间加权无关。

4D成像

已经描述了形成不同的示踪剂密度图像和弛豫状态图像的某些实施方案。从数学上讲，这些可以被描述为产生rho(x，y，z)和r(x，y，z)形式的不同图像，其中rho对应于标量示踪剂密度图像，并且r对应于标量弛豫图像。通常，也可能更明确地组合信息以形成形式为I(x，y，z，tau)的4D图像数据集，其中重构的数据集包含有关示踪剂的强度信息，所述强度信息根据空间和弛豫时间变化。这种重构将产生点扩展函数(PSF)和图像，所述图像更全面地表征MPI过程并提供有关示踪剂动力学的谱信息。在一些实施方案中，如果沿着tau方向投影4D图像，则标量强度变量I塌陷为示踪剂密度rho。在一些实施方案中，可以将应用于原始时域数据的开窗分解技术用于形成这样的4D图像数据集。在其他实施方案中，可以利用诸如拉普拉斯变换的数学工具来恢复、解构或重构弛豫时间或弛豫谱数据。在其他实施方案中，原始时域数据可以被投影到合适的基础集上，或者被变换并且然后投影到合适的基础集上。基础集可以例如与表征示踪剂的已知物理弛豫过程相关联。

后处理方法

在脉冲MPI的情境下可以利用各种后处理技术。通常，信号处理器可以针对每次扫描重构一个或多个图像，并且一次或多次扫描可以与单个样本相关联。如此获得的一组图像可以以各种方式处理以为用户产生最终输出。例如，单个图像可以被处理、滤波或求阈值。在以某种方式将多个图像组合之前，可以对多个图像进行类似的处理、滤波或求阈值。

多分辨率图像组合

在一些实施方案中，可以从导致不同的原生分辨率和/或SNR水平的编码或重构获得多个图像。例如，使用动态变化的梯度、以梯度幅度的不同固定值进行的多次扫描、使用动态变化的脉冲激励振幅、以不同的激励振幅固定值进行的多次扫描、和/或以不同的脉冲MPI编码进行的扫描(例如通过不同的磁化准备设计)可以全部组合以产生较小的集合或单个图像。一个或多个最终图像可以被设计为最大化分辨率、SNR和图像对比度中的一者或多者，并且可以取决于期望的应用。

密度和弛豫图像组合

在一些实施方案中，可以将一个或多个不同的密度和/或一个或多个不同的弛豫图像组合成一个或多个新图像。在一些实施方案中，弛豫信息将用于使示踪剂密度图像着色以提高图像对比度并将弛豫信息映射到示踪剂密度图像上。弛豫信息可以直接叠覆到密度图像和/或来自另一个具有连续变化的颜色图的模态的结构参考图像上。在一些实施方案中，可以通过其他方式将连续变化的弛豫信息阈值化或映射到不同的颜色上。例如，可以使用基于正向模型的算法来使感兴趣的驰豫物种不混合，诸如MPI示踪剂处于结合或未结合状态或者在将多个示踪剂应用于样本体积的情况下，处于将不同的示踪剂分开中。这些结果可以用于形成独立图像，或者可以作为颜色映射施加并叠覆到密度图像上。

4D数据的投影和切片

在一些实施方案中，信号处理和重构将提供4D MPI数据集，其中MPI强度值相对于三个空间坐标变量和时间弛豫变量被映射。沿各个维度的投影可以允许对信息丰富的数据集进行无缝询问。例如，沿着一个或多个空间维度的投影将允许相对于其余空间维度可视化弛豫谱信息。沿着弛豫维度的投影可以恢复示踪剂密度图像。贯穿4D数据集的切片可以提供易于可视化的3D数据集，诸如通过枚举弛豫谱变量在空间中定位为一步的MPI强度。

脉冲MPI编码的应用

通过使用更大的芯示踪剂来增强成像

使用脉冲编码和重构技术，可以在成像参数(诸如分辨率、SNR和图像对比度)方面改善MPI的所有当前应用。例如，结合脉冲MPI技术使用平均芯大小大于25nm的示踪剂可以提高主动MPI开发的当前领域的分辨率，诸如干细胞跟踪、癌症诊断成像、肺通气和灌注成像、心脏和血管造影应用、中风诊断成像和灌注成像(诸如脑血流量(CBF)和脑血容量(CBV))。

脉冲MPI的应用示例

脉冲MPI的独特方面，诸如弛豫信息的量化、4D成像的前景以及通过磁化准备进行磁化整形的能力，可能会为MPI提供新的之前未预见的应用。凭借稳健地量化弛豫信息(且尤其是与诸如布朗弛豫之类的对环境敏感的物理性质相关联的信息)的能力，这些脉冲序列可以在广泛的新型分子成像应用中使用。脉冲MPI脉冲序列可以可选地在平均磁芯大小为25nm或更大的示踪剂下，允许以下所有操作：体内粘度成像、pH成像、炎症成像、活性氧物种成像、使用官能化示踪剂结合事件的成像、MPI磁性开关的设计和使用、经由官能化或专用示踪剂观察生化运动学、阐明体内出血、感染成像、诊断肺栓塞和肺灌注异常、前哨淋巴结活检。

在一些实施方案中，脉冲MPI方法和设备用于对感兴趣的体外样本的弛豫性质进行成像和/或量化。这些样本可能源自引入了MPI示踪剂的整个生物对象，例如通过全身递送或局部注射引入了MPI示踪剂，或者可能已在收获后的单独步骤中引入了MPI示踪剂。这些样本可以包括组织和器官样本、生物流体以及其他生物来源的样本。这些样本还可以包括感兴趣的非生物样本，诸如示踪剂样本。在一些实施方案中，在引入感兴趣的MPI示踪剂(诸如但不限于通过全身性注射到循环系统中或直接组织注射)之后，使用脉冲MPI方法和设备来对活体动物受试者的弛豫性质成像和/或量化。在一些实施方案中，在引入感兴趣的MPI示踪剂(诸如但不限于通过全身性注射到循环系统中或直接组织注射)之后，使用脉冲MPI方法和设备来对人类受试者的弛豫性质成像和/或量化。

图40和图41示出了使用AWR通过脉冲编码和脉冲MPI脉冲技术获得的实验数据。图40示出了在生理相关粘度范围内检测较大的芯型MPI示踪剂(＞25nm)随粘度变化的磁弛豫变化的稳健能力。这些数据表明脉冲MPI中弛豫成像所固有的灵敏度和可能的生理对比能力。图41进一步示出了使用脉冲MPI弛豫成像技术检测结合事件的能力，并示出了对结合做出响应的示踪剂与未做出响应的示踪剂之间的测得的差异。

脉冲MPI硬件

实际上需要多个硬件系统来实现脉冲MPI激励。图42描述了脉冲MPI扫描系统中组成子系统之间的部件和关系。图43进一步示出了示例性脉冲MPI扫描系统的方面。

FFR的产生

所有MPI系统的核心在于通过某种类型的FFR结构的表现来实现信号的空间定位，如图2所示。为了产生FFR结构，典型的MPI扫描系统包含一个或多个用于产生构成FFR的特定空间场图案的有源或无源磁场源。FFR的特征为包含其中施加场低于示踪剂特定的饱和值的至少一个区域；以及其中施加场大于示踪剂特定的饱和值的一个区域。FFR通常但不一定包含磁场中的线性空间梯度，并且因此在这些区域之间平滑且线性地过渡。FFR可以是如图2所描绘的无场点、无场线或者更一般的形状。FFR可以由一个或多个有源或无源磁源(诸如电磁线圈、超导磁体或永磁体阵列)产生，如图44所示。无源软磁材料(诸如如图44中所示的铁)在设计中也可以用作通量集中导板，以改善FFR图案的理想方面，诸如降低功率时的线性梯度强度。

移动、激励和操纵FFR样本几何形状

可以将典型的MPI扫描视为使FFR图案的位置相对于感兴趣的成像FOV移位，以对感兴趣的成像FOV进行采样，如图17所示。在使用FFL的该示例性x-空间脉冲序列实施方案中，FFL线等中心点的平均位置在与线正交的平面中被缓慢地光栅化以采集投影图像。FFL样本相对几何形状的旋转允许获得多个投影以进行断层摄影投影重构。该图的交叉阴影线区域示出了在与线正交的平面中被激励脉冲序列采样或覆盖的pFOV区域。替代地，在一些实施方案中，激励可以完全在线的方向上进行。需要移位波形来对较大的FOV进行完全采样。这些区域用于说明和或不一定按比例绘制。例如，在一些实施方案中，pFOV区域宽度的相对大小可以小得多。此外，所示的特定光栅轨迹不是限制性的。其他光栅或笛卡尔轨迹以及径向、螺旋或其他类型的轨迹可以用于覆盖总FOV。pMPI激励也可以用于形成用于系统矩阵重构方法的校准或系统矩阵。

通常，用于产生FFR图案的相同磁场源(如在电磁体的情况下)可以用于实现时变FFR轨迹的一些或全部分量。在其他实施方案中，不同的磁源部件提供这些移位场中的一个或多个。这两种情况在图43示出。设计中可以包括小型无源或有源垫片部件，诸如小型电磁体线圈、永磁体片或软磁材料片，以确保在感兴趣的扫描轨迹期间保持目标FFR的保真度。可以使用样本相对于FFR的机械运动，将FFR的位置相对于成像FOV移位、将FFR的位置相对于样本移位、或两者的组合。也可以使用一个或多个时变磁场源与机械运动的组合来对成像FOV进行采样。例如，在一些实施方案中，样本可以被安装在由马达驱动的线性平台上，所述马达用于将样本放置在成像孔中，并且还用于在扫描期间在一个方向上提供全部或部分相对位移。如图43所示，可以通过不同的电磁体来提供正交轴中的一个或两个的移位。在使用投影成像进行旋转的情况下，机械或电磁源可能会提供采样体积和FFL或更一般地说FFR之间的相对旋转。

通常，为了概念清晰起见，可以将快速(例如，带宽＞1kHz)激励或驱动波形与缓慢移位的波形(例如，带宽＜10Hz)区分开来，将它们与系统部件(诸如涡流屏蔽子系统)交互的方式进行区别，并考虑到成像信号。然而，两种类型的波形都用于随时间移位或调节FFR图案，除了速度或转换速率外，可能在场幅度和功率要求上也大不相同。当使用电磁体移位线性梯度FFR设计时，通常将激励和移位波形施加到线圈上，所述线圈被布置成产生空间均匀但随时间变化的场。均匀场将用于及时移位或平移许多FFR实施，同时始终保持FFR图案的空间完整性。在一些实施方案中，诸如沿着FFL的线的激励，FFR不被平移而是如先前描述的那样被变换。当使用这样的均匀线圈时，尽管可以使用均匀性较差的线圈，但就线圈灵敏度在成像FOV内的偏差而言，均匀性要求可以为大约90％或更好。

脉冲激励发射系统

在脉冲MPI中，快速激励或发射硬件系统必须能够实现由脉冲波形描述的时变磁场。尽管典型的MPI轨迹包括快速的时间上正弦变化的激励或驱动场，但是本发明的一些实施方案考虑了使用具有非正弦时间变化的脉冲激励波形，这导致了非正弦扫描轨迹。这些非正弦激励波形可以包括：周期性或非周期性的分量，其中场的特定值在一段时间内保持基本上恒定，以及通过上升沿和/或下降沿的快速过渡；以及更多任意的瞬变波形分量。

为了实现这些脉冲波形，需要特定的发射电子器件和线圈设计。最终目标是使通过一个或多个激励线圈的电流以及因此感应出的磁场遵循由脉冲序列定义的规定时间轨迹。特定地，需要支持各种持续时间的基本上恒定的周期以及具有比传统正弦发射系统的单音更大的带宽的快速瞬变和/或激励波形两者的能力。

线性放大器和低电感LR电路

在一些实施方案中，发射、驱动或激励电子器件链包含由在非谐振滤波器链中的线性放大器供电的LR电路，其基本上不改变该电感，如图45所示。功率放大器可以以受控电压或受控电流模式运行。当在受控电压模式下操作时，预加重可能会施加到提供给线性功率放大器的输入电压信号上，如图45所示。在输入到功率放大器之前预先计算实现所需脉冲电流波形所需的电压波形，所述电压波形可能包括快速瞬变和基本上恒定的周期。这可以通过电路模拟、数学优化技术(诸如凸优化公式)和/或特征为在运行扫描之前进行测量的电路来实现。通常，当使用线性放大器为LR电路供电时，最大转换速率由系统的LR时间常数决定。因此，可能需要或必须设计具有低电感的发射/激励/驱动线圈以获得足够的转换速率。

这样构建的预加重的电压波形可以在扫描期间实时地提供给功率放大器，以实现最大的场转换速率，同时振铃或其他形式的失真最小。可以安装共模抑制、滤波部件和屏蔽系统。为了在应用预加重时获得最大的时间分辨率灵活性，必须谨慎选择用于控制功率放大器的波形的采样率。该采样率可能为大约1MHz，或者可能需要更高的采样率，诸如10MHz或更高。通过在受控电流模式下操作线性放大器，可以获得具有脉冲波形的在驱动线圈方面的类似结果，在该模式下，内部反馈控制回路用于实现脉冲波形分量，诸如鉴于理想波形目标，通过上升沿和/或下降沿进行快速过渡。为了实现迅速和快速的反馈调整，可以对线性放大器进行修改，以允许高压转换速率，或者在高压转换速率不可能的情况下，使用预测性计算算法或电子电路进行设置，以避免出现反馈回路的不稳定并避免振铃。

谐振开关电路

在一些实施方案中，开关电路可以用于实现脉冲激励波形。在这种方法中，发射电路系统根据精确的时序图在各种状态之间切换，如图46所示。发射线圈与电容器连接持续一个谐振周期的一部分，以便在断开电容器之前经由具有快速开关时间的可控开关快速改变发射线圈中的电流，从而在滑行周期期间在线圈中获得基本上恒定的电流。可以选择电容器的电容以获得期望的转换速率，从而可能在线圈的电感中提供更大的灵活性。每当电流需要在基本上恒定的区域之间过渡时，都会短暂地重新连接电容器。开关的精确定时对于电路操作至关重要，并且可以通过适当设计的开关来实现，这些开关可以用例如优于10微秒或优于1微秒或优于0.1微秒的时间分辨率进行控制。图46示出了用于产生期望特征的示例性开关时序图、所产生的随时间流过激励线圈的电流以及每个不同阶段的电路拓扑。这些设计旨在是指导性和示例性的，决不是限制性的。

发射线圈设计

脉冲波形可以应用于发射、驱动或激励线圈。这些激励线圈通常将被设计成向成像FOV提供空间均匀但时变的场。为了促进脉冲MPI中的某些期望的信号编码策略和MPI轨迹，本公开考虑了多个发射线圈布置。为了支持某些旋转或投影编码策略，可能希望具有主轴线彼此正交的激励线圈。例如，在线的方向被视为y轴的FFL MPI系统中，激励线圈可以与x轴和z轴同心放置，如图3所示。可以以正交模式驱动这些线圈，以沿xz平面中的任何方向提供激励或移位脉冲，如图14所示。在FFP系统的情况下，至少三个正交激励线圈的系统与三个已建立的主轴中的每一个对齐，可以就激励方向提供类似的灵活性。

为了通过一些脉冲序列中所需的上升沿和/或下降沿实现快速过渡，需要(电压、电流或磁场的)高转换速率，并且重要的是防止或最小化振铃和失真源。激励线圈可以被设计成具有低电感，例如，电感值在1微亨和30微亨之间。在线圈是LR电路的一部分并由线性电压放大器驱动的实施方案中，这将有助于更快的电流过渡(每个脉冲的上升时间更短)。在一些实施方案中，发射线圈是单线回路，其可以是中空心，以使诸如液体或气体的冷却流体通过。在一些实施方案中，利兹线将用于构建激励线圈。根据诸如与固定成像孔的几何关系以及对低电感线圈的需求等因素，这些线圈可以是螺线管、鞍形、亥姆霍兹式或其他线圈设计。在一些实施方案中，发射线圈由单个亥姆霍兹或麦克斯韦对构成。在一些实施方案中，发射线圈具有小直径以减小电感。

在其中使用类似FFL的扫描系统的一些应用中，可能需要安装与FFL的线轴同心的发射线圈，如图3和图15所示。这是对被取向成在法向于线的平面中具有灵敏度的一个或多个线圈的补充。与FFL轴同心的线圈提供了沿线偏置或激励所有粒子而不在正交平面中物理平移线的能力，并实现了前面部分所述的各种信号编码方案。

针对整个FOV覆盖范围移位FFR样本相对几何形状的方法

如图17和图18所示，一般的脉冲MPI采集将需要重复施加脉冲激励波形，而移位波形会提供总的x空间轨迹，所述总的x空间轨迹允许随时间对大的成像FOV进行采样。这些脉冲序列图中表示的移位波形是指FFR等中心点和/或总FFR结构位置随时间相对于成像FOV和样本的移动。该相对移动可以以多于一种方式实现。在一些实施方案中，将移位波形施加到高功率均匀电磁体上，所述高功率均匀电磁体被布置成使总的FFR结构沿电磁体的中心轴线移位。在一些实施方案中，样本本身可以通过机械方式移动，诸如使用样本保持架、可移动台和马达的布置。在一些实施方案中，将在总的x空间成像扫描中采用样本的机械移动和FFR的电磁体移位两者。图示出了在这种情境下可以如何布置机械设备和移位磁体。

成像扫描仪的重要部件是内部区域和外部区域之间的屏蔽。如图43所描绘，内部区域包含定义为其中放置样本的成像孔的区域、一个或多个激励线圈、一个或多个接收线圈以及可能的一个或多个移位电磁体。内部区域完全电磁隔离于外部区域：扫描仪中其余的空间和外部世界。移位电磁体中的一个或多个可以位于外部区域中，FFR产生源(电磁体或永磁体)、马达、平台等都放置在外部区域中。电磁隔离可以由单个连续的固态铜涡流屏蔽系统提供。该屏蔽消除了干扰和噪声源而不会耦合到激励或接收系统中，并且不允许内孔的发射和/或移位系统与外部区域中的元件(例如，软磁材料、移位磁体或产生FFR的磁体)相互作用。如图43中所描绘的，激励电子器件链和接收电子器件链的整体也可以位于内部屏蔽区域中。

冷却

MPI扫描系统的许多方面在操作期间可能需要冷却。在一些实施方案中，发射线圈或激励线圈以及移位磁体和产生FFR的电磁体将被主动冷却。在一些实施方案中，涡流屏蔽系统的各方面也可以被冷却。在一些实施方案中，水或替代的冷却流体(诸如基于氟碳的Fluorinert)将用于冷却中空电磁体线和线圈。在一些实施方案中，元件将通过放置在热流体浴中来冷却。

安全注意事项。

考虑到受试者的特定吸收率(SAR)，必须注意使用如此大的转换速率。在一些情况下，磁刺激效果也可能适用。根据定义，脉冲MPI中的高转换周期很短，且因此可能表示单个激励周期内的占空比小。在脉冲激励波形的较大周期性的情境下，脉冲MPI波形将受到SAR限制的相同或相似测量的影响，例如，以均方根(RMS)方式计算。

脉冲MPI接收系统

在MPI中，感应接收器线圈用于检测来自磁纳米粒子示踪剂的磁化信号。传统上，在接收到信号时施加连续的正弦激励波形。因为发射线圈和接收线圈是强耦合的，所以通常这会导致大量激励馈通进入接收器线圈。在不缓解的情况下，该馈通比示踪剂信号大几个数量级。通常使用几何去耦策略，诸如使用相对于由发射线圈定义的几何形状以零净面积以梯度方式缠绕的接收器线圈。

脉冲MPI在宽的频带上具有直接馈通。在一些实施方案中，将采用经由微调梯度计的感应去耦和/或主动消除。在一些实施方案中，通过将梯度计线圈相对于发射线圈进行空间匀场来改善电感去耦。在一些实施方案中，通过可调谐分压器(以精细地调整接收线圈的一部分的振幅)和/或可调谐电容器(以精细地调整接收线圈的各部分之间的相位差)来改善电感去耦。图47和图48示出了MPI任意波形弛豫仪(AWR)的示例性可调谐梯度计设计以及AWR设计的细节。AWR是一种台式MPI装置，其允许表征样本，并且通常没有梯度的实施。取而代之的是，整个样本是通过施加场幅度空间中的轨迹获得的，所述轨迹与使用线性梯度时扫描系统中点源的经历成线性比例。这样的装置可以容易地测量与示踪剂样本相关联的1DPSF(例如，示踪剂密度和弛豫成像两者)，并且允许测试不同的MPI脉冲序列。

除了梯度接收器线圈设计之外，典型的正弦MPI接收链还可能包含处于基本激励频率的陷波滤波器以及一个或多个其他滤波器(低通、高通或带通)，这些滤波器除其他目的外，努力完全去除所有在基本频率下的接收信号。由于无法从激励馈通且可能在大样本的情况下成像材料的线性反磁信号中分离出在基本频率下的示踪剂信号，因此通常去除此分量。示踪剂信号在基波处的损失对MPI中的信号线性度和移位不变性(LSI)产生了重大影响，并且在重构中需要采取重要步骤来恢复LSI。此要求增加了对信号采集和编码轨迹的约束，增加了重构过程的复杂性，并降低了总体信噪比(SNR)。一旦接收到的信号被数字化并且在图像重构之前，就可以利用进一步的数字信号处理和基线减法方法来减少馈通并调节信号。

脉冲MPI的关键方面是馈通从纳米粒子信号在时间上去耦合的能力。这在标准连续正弦波MPI中是不可能的。通常，使用脉冲波形时，激励馈通的情况会大不相同。当在一段时间内使用具有基本上恒定的分量的脉冲波形时，在达到基本上恒定的值并且系统响应下降到零的时间量已经过去之后，就不会出现激励馈通。此外，如果在快速过渡的上升沿和/或下降沿之后达到基本上恒定的值，并且系统响应时间如前所述非常短，则在每个激励循环或周期期间只有非常短的时间段明显存在馈通。这样允许在短的系统响应时间的限制内在时间上将激励馈通与示踪剂信号完全分开。对于有限的系统响应时间，馈通和信号分开的程度根据系统响应时间和磁示踪剂响应时间而变化。通常，可能需要比示踪剂响应时间短得多的系统响应时间。

尽管使用脉冲编码策略可以将直接馈通限制在很短的时间窗口内而无缓解，但是其可能会损坏灵敏的前置放大器系统，该系统的增益对于仅存在磁示踪剂信号的信号部分来说是理想的。如果减小一个或多个前置放大器系统的增益以适应该峰值，则会导致动态范围减小、SNR减小和离散化误差增大中的一者或多者。为了避免这些不利影响并使接收信号动态范围最大化，可以利用多种策略。在一些实施方案中，可变增益放大器选择性地放大时间延迟的纳米粒子信号，而不放大初始直接馈通信号。在一些实施方案中，与每个激励循环、周期或脉冲的激励馈通方面精确相关的消隐信号可以被发送到可变增益放大器(VGA)系统，以在馈通周期期间的低增益和在其他时间的高增益之间切换。可以表征系统响应时间，并且消隐信号用于降低接收器系统的增益，所述消隐信号在系统响应开始之前的某个有限时间开始，并在系统响应衰减至小的选择值之后的某个小的有限时间结束。取决于此VGA系统本身的响应时间，可以大大衰减激励馈通信号，并且可以使读出中的所需信号的动态范围和总放大率最大化。图49示出了具有这些特征的示例性接收电路设计，并且图50示出了来自工作系统的示例性数据，所述数据展示了发射电压预加重与线性放大器的组合使用以及实施具有消隐信号的VGA的接收系统。

在一些实施方案中，交叉二极管电路拒绝超过某个阈值的电压，如图49所示，其可以用于限制直接馈通信号。在一些实施方案中，可以通过使用诸如IGBT、MOSFET或其他电压控制开关之类的数字控制开关来使馈通信号与信号路径短暂地分流。在一些实施方案中，电子延迟可以用于增强馈通与纳米粒子信号的时间去耦。在一些实施方案中，前置放大器和增益级可以被短暂地关闭以保护它们在馈通周期期间不受过电压的影响，并快速地重新接通以接收并放大(延迟的)纳米粒子信号。在一些实施方案中，可以仅在馈通周期期间将前置放大器的输入专门地消隐。这些策略中的一种或多种可以在如图49所示的脉冲MPI系统的总接收器系统设计中同时采用。

在许多脉冲MPI编码策略中，尤其是那些利用快速过渡的上升沿和/或下降沿的策略，在上升沿和/或下降沿之后的短时间段内可能会包含示踪剂信号的大部分。重要的是，接收器系统被配置有能够在奈奎斯特极限意义上完全捕获该信号的带宽。1MHz范围内的采样率可能就足够了，但是可能需要高达10MHz或更高的采样率。

在一些实施方案中，期望在宽带宽上检测原始接收信号。在这样的实施方案中，可能期望范围为从DC直至10MHz或更大的接收带宽。在其他实施方案中，可能期望减小的信号带宽来调制图像重构中的SNR和/或空间分辨率。在一些实施方案中，数据采集系统将采样高达10MHz或更高的大信号带宽，并且随后的数字信号处理将在重构期间按需减小带宽。在其他实施方案中，接收器系统可以配置有带宽限制滤波器，用于噪声抑制。例如，可以在基波附近保持小的带宽(该带宽由系统参数(诸如移位场转换速率和参考周期性激励波形的基本频率)确定)，或者可能需要在基本的周期性激励波形的某个少量N个谐波附近的带宽。图32示出了使用1至15个这样的谐波频带重构1D脉冲MPI图像的实验数据。在一些实施方案中，带宽可以小于1kHz、小于500Hz或小于250Hz。在一些实施方案中，这种窄带采样将用于优化接收器线圈与检测器电子器件之间的噪声匹配。在一些实施方案中，诸如滤波器组之类的并行硬件将使得能够在一个以上的中心频率(例如，激励谐波)下进行窄带检测。在一些实施方案中，当期望窄带检测时，可以采用诸如锁定放大方法之类的技术。在一些实施方案中，将对MPI激励波形基本频率、激励波形中的基本上恒定的周期的长度、慢移波形分量的转换速率和接收带宽中的一者或多者进行优化，以按需实现和/或权衡分辨率、SNR和SNR效率指标。

脉冲硬件部件的模块化

脉冲MPI要求在激励和接收链中与传统MPI方法存在较大偏差。可以维护硬件的其他方面。例如，可以以与在正弦MPI系统中使用的相同或相似的方式来构建和使用产生FFR并缓慢地(相对于激励周期)移位FFR以覆盖大成像FOV的磁场源部件。可能需要设计一种MPI扫描系统，其中模块化脉冲MPI激励和接收系统可与模块化正弦激励和接收系统互换或切换，如图51所示。这样的设计还将促进具有不同特性的脉冲MPI激励/接收系统的模块化交换或切换。如果此类系统权衡基本参数(诸如系统响应时间和成像SNR)，那么这可能是理想的。因为关键的设计关系在系统响应时间和示踪剂磁弛豫时间之间，所以某些脉冲MPI激励/接收系统可能与特定的示踪剂或特定的示踪剂应用最佳匹配。

1D脉冲MPI信号和成像方程

此处，我们提供了使用理想方波激励的一维脉冲MPI方法的基本推导。该分析用于少量的理想化脉冲MPI方法，旨在进一步说明一些基本概念，且决不是限制性的。

稳态方波成像

视野中超顺磁磁粒子分布的稳态磁化被描述为：

其中m是单个粒子的磁矩，rho是粒子密度，L是朗之万函数，k是示踪剂特定项，并且H是施加场。

1D方波激励对MPI FFR位置的贡献则可以表示为：

其中增量x是FFR的x空间位移，并且等于以特斯拉为单位的方波激励振幅乘以MPI装置的线性梯度强度(以特斯拉/米为单位)。通过感应物理性质接收器线圈上的电压为：

考虑到每个第n阶跃激励的响应，我们可以得出一个信号方程：

其中增量M_n(x)是第n个方波阶跃激励之前和之后的稳态磁化状态之间的差，h_m(t，x)是磁粒子弛豫脉冲响应，其根据位置变化，这是因为示踪剂弛豫的场相关性强以及MPI中存在强梯度场。该信号方程式表示，在理想的方波情况下，接收到的电压信号是在空间上积分的示踪剂弛豫脉冲响应的定标形式。这明确表明示踪剂脉冲响应以及稳态信息(经由增量M_n)如何直接编码在原始时域数据中。

我们可以通过如前所述在每个半周期内对信号进行积分来进一步建立索引信号方程：

其中我们假设方波激励的半周期足够长以在半周期结束时到处都完全建立稳态条件。在这种情况下，脉冲响应分量集分为一个整体，并且在该步之前和之后的稳态磁化状态之间会存在有限的差异。我们可以将此结果表示为卷积关系，如最后一步所示。2Δx＝2AG-1是方波阶跃激励中的FFR偏移距离，其中A是方波振幅，并且G是MPI梯度强度。

最后，我们可以通过除以已知的标量来建立一个成像方程：

其中我们的成像PSF h(x)本身可以分解成稳态朗之万分量，其中没有弛豫效应，以及可以通过选择激励振幅来控制的矩形模糊。

弛豫成像

可以直接量化在每个方波半周期内演化的磁弛豫过程，并使用此信息构建弛豫图像。在--个这样的实施方案中，我们可以将每个半周期的接收信号近似为加权指数：

然后我们可以针对每个半周期拟合时间常数τ_n和振幅A_n，并且针对该半周期网格化FFR的平均位置。如果我们认为Debye指数模型充分描述弛豫过程，则我们也可能会强制执行先验知识或期望，诸如A_n＝τ_n ^-1。这提供了整个空间而不是示踪剂质量/浓度的弛豫动态的图像。

时域弛豫加权成像

我们可以通过如下利用弛豫动态的二次空间编码来理解弛豫加权对提高空间分辨率的影响。与我们的稳态方波分析不同，我们不对与方波半周期相关联的整个信号进行积分，而仅对窗口阈值指定的某后一部分进行积分。

其中s_rw(n)是我们用于弛豫加权重构的索引信号方程。以这种方式延迟的开窗导致存在空间加权函数w_n(x)。经过与完全积分的情况类似的分析，我们得出了修改后的成像方程以用于弛豫加权重构：

其中我们的弛豫加权PSF，h_rw是被完全积分的稳态方波PSF(h(x))逐个点乘以我们的加权函数w(x)。在指数弛豫动力学的情况下，弛豫函数可以近似如下：

我们的弛豫加权PSF可以被理解为无弛豫稳态方波PSF逐个点乘以另一个窄函数，从而使我们可以提高分辨率，可能超出朗之万极限。

可以以类似的方式在数学上描述更复杂的脉冲MPI激励轨迹。例如，任意脉冲波形可以最自然地表示为递归关系。这些对特定方波方法的少量1D数学描述仅用于进一步说明这些简单示例，而决不是限制性的。

在本说明书中示出和讨论的实施方案仅旨在教导本领域技术人员如何制造和使用本发明。在描述本发明的实施方案时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本发明并不旨在限于所选择的特定术语。如本领域技术人员根据以上教导所了解，可以在不脱离本发明的情况下修改或改变本发明的上述实施方案。因此，应当理解，在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以按照不同于特定描述的方式来实践。

Claims (1)

1.一种脉冲磁粒子成像系统，其包括：

包括至少一个磁体的磁场产生系统，所述磁场产生系统在所述脉冲磁粒子成像系统的观察区域内提供空间结构化磁场，使得所述空间结构化磁场将具有用于被观察对象的无场区域FFR，所述被观察对象在其中具有磁纳米粒子示踪剂分布；

布置在所述观察区域附近的脉冲激励系统，所述脉冲激励系统包括电磁体和电连接到所述电磁体以向所述电磁体提供激励波形的脉冲序列发生器，其中所述电磁体在被提供所述激励波形时在所述观察区域内产生激励磁场，以通过移位所述FFR的位置或条件中的至少一者来从中感应出激励信号；以及

布置在所述观察区域附近的检测系统，所述检测系统被配置成检测所述激励信号以提供检测信号，

其中所述激励波形包括瞬变部分和基本上恒定的部分，以及

其中所述激励波形包括磁化准备部分和读出部分，所述磁化准备部分包括所述瞬变部分的至少一部分并且所述读出部分包括所述基本上恒定的部分的至少一部分。